高中生物种群数量增长的几种数学曲线模型例析

种群增长的三个模型一、引言种群增长是生态学中的重要研究领域，对于了解生物群体的数量和结构变化、探究物种在自然环境中的适应性和竞争性等具有重要意义。

在研究种群增长过程中，学者们提出了多个模型，以便更好地解释和预测种群数量变化。

本文将介绍三个经典的种群增长模型：指数增长模型、对数增长模型和S形曲线增长模型，并探讨它们在实际应用中的意义。

一、指数增长模型的概述指数增长模型作为一种基础的种群增长模型，其基本假设在于环境资源充足、个体间无竞争、出生率和死亡率保持恒定。

在这种理想条件下，一个物种的数量会以指数级速度增长。

然而，在现实的自然环境中，这种理想条件往往难以实现。

因此，指数增长模型在实际应用中，更多地被用于描述短期内资源丰富、无竞争压力下物种数量变化的情况，如某些繁殖周期短、繁殖率高的昆虫。

二、对数增长模型的提出对数增长模型是对指数增长模型的一种修正和拓展。

它考虑到了资源有限和种群间的竞争因素。

在對数增长模型中，种群数量的增长速率随着数量的增加而逐渐减缓，最终趋于稳定。

相较于指数增长模型，对数增长模型在描述实际种群数量变化时更为准确。

例如，在资源有限且个体间存在竞争压力的情况下，种群数量会逐渐达到一个稳定值，这个稳定值被称为种群的容量极限。

三、S形曲线增长模型的综合特点S形曲线增长模型是一种更复杂且更符合实际情况下种群增长规律的模型。

它融合了指数增长模型和对数增长模型的特点，同时考虑了环境因素、竞争压力以及其他影响因素。

S形曲线增长模型最早由人口学家托马斯·马尔萨斯提出，后在生态学领域得到广泛应用。

四、S形曲线增长模型的应用价值S形曲线增长模型描述了一个物种在资源有限且存在竞争时，从指数生长逐渐过渡到饱和状态，并最终趋于稳定的过程。

这种增长模型在描述人类和其他大型哺乳动物种群的数量变化时非常有用。

通过对S 形曲线增长模型的研究，我们可以更好地了解生物种群在自然界中的生长规律，为生态环境保护、资源利用和人口管理等领域提供理论依据。

高中生物种群的增长曲线与K值应用常卿在高中生物教材中，种群增长曲线是一个重要的知识点，并在近年的生物高考试卷中都有所体现。

但笔者在教学中发现，由于受到教材篇幅的限制，这一知识内容一上来起点就很高，学生一下子很难理解。

本文从理解的角度出发，对种群增长曲线进行释疑，同时释义其具体应用。

一、种群增长的S型曲线虽然物种具有巨大的增长潜力，但在自然界中，种群却不能无限制地增长。

因为随着种群数量的增长，环境的制约因素的作用也在增大，环境中制约种群增长的因素称为环境阻力。

它包括同种个体之间对食物和空间的竞争加剧、疾病蔓延、捕食者因捕食对象的增多而增多等，从而导致残废率增长、出生率降低，最终趋向平衡。

因此，在自然环境中，种群的增长曲线是一个“S”型曲线（也称为逻辑斯蒂曲线）。

种群达到环境所能负担的最大值，称为环境的满载量或负载能力，用“K”表示（如图1）。

那么，种群为什么不能无限增长而保持在相对稳定的水平？根据对很多生物种群在有限食物和有限空间条件下数量动态的研究，种群在开始时增长比较缓慢，以后逐渐加快，当种群数量达到环境所允许的最大数量的一半时，增长速度最快，但是种群所需要的资源（食物、空间等）是有限的，随着资源的枯竭，环境阻力将随着种群的增长而成正比例增加，种群增长速度逐渐缓慢下来，直到停止增长，此外，种群内部的相互关系和其他一些环境因素，如气候、食物、空间、营巢地、天敌、疾病、种间竞争等环境阻力都会抑制种群数量无限增长。

当种群增加到“K”值，会因为食物不足、空间有限、天敌增加等因素而使种群数量逐渐降低，降到基准线以下，又会因空间、食物的充裕而数量上升，所以，种群的数量会在一定范围内（基准线上下）波动，保持在一个相对恒定的水平上（如图2）。

二、K值的应用种数数量在达到K/2时（如图3中的A点），种群数量几乎呈直线上升，这一时期称指数生长期，A点是影响种群数量的关键点。

该值可直接用于解释文中有关“种群数量变化的意义”中的几个实例问题。

第2节种群数量的变化知识点一构建种群增长模型的方法1.数学模型概念,数学模型是用来描述一个系统或它的性质的数学形式，是为了某种目的用字母、数字及其他数学符号建立起来的方程式以及图表、图像等数学表达式。

2.意义,数学模型是联系实际问题与数学规律的桥梁，具有解释、判断、预测等重要作用。

知识点二种群数量的增长,1.种群的“J”型增长(1)“J”型曲线：自然界确有类似细菌在理想条件下种群数量增长的形式，如果以时间为横坐标，种群数量为纵坐标画出曲线来表示，曲线则大致呈“J”型。

(2)“J”型增长的原因：食物充足、没有天敌、气候适宜等，这一理想条件只有在实验室或某物种最初进入一条件非常适宜的环境时才会出现。

(3)“J”型增长的数学模型,模型假设：在食物和空间条件充裕、气候适宜、没有敌害等条件下，种群的数量以一定的倍数增长，第二年是第一年的λ倍。

增长速率不随种群密度的变化而变化。

,建立模型：,一年后该种群的数量应为：N1＝N0λ,两年后该种群的数量应为：N2＝N1×λ＝N0λ2,t年后该种群的数量应为：N t＝N0λt,N0：该种群的起始数量；t：时间；N t：t年后种群数量；λ：增长的倍数。

注：当时，种群数量上升；当λ＝1时，种群数量不变；当时，种群数量下降。

2.种群增长的“S”型曲线,(1)“S”型曲线出现的原因,自然资源是有限的，当种群密度增大时，使生存斗争加剧，种群的增长速率下降。

(2)实例：高斯的实验。

(3)“S”型曲线：种群经过一定时间的增长后，数量趋于稳定的增长曲线，呈“S”型。

①K值：在环境条件不受破坏的情况下，一定空间中所能维持的种群最大数量称为环境容纳量。

a.不同物种在同一环境中K值不同。

b.当环境改变时生物的K值改变。

②K/2值：K值的一半，是种群数量增长最快点。

③增长速率：可以看出种群的增长速率在K/2时最大，K/2之前不断增加，在K/2之后逐渐减小，当达到K值时增长速率为0。

种群数量变化曲线
1．种群数量增长的“J”型曲线和“s”型曲线自然种群的增长一般遵循“s”型曲线变化规律；当种群迁入一个新环境后，常常在一定时间内出现“J”型增长。

两种增长方式的不同，主要在于有无环境阻力对种群数量增长的影响。

如生存空间、食物、被捕食、传染病等环境阻力的增加，使种群死亡率上升，出生率下降，两种增长曲线比较如图
2．种群“S”型增长曲线分析
(1)潜伏期(对环境的适应期)：个体数量很少，增长速率很慢。

(2)快速增长期(对数期)：个体数量快速增加，K／2时，增长率达到最高。

(3)稳定期(饱和期)：随着种群密度增加，个体因食物、空间和其他生活条件的斗争而加剧，同时天敌数量也增长。

种群实际增长率下降。

当数量达到环境条件允许的最大值(K)时，种群停止生长。

种群增长率为零，即出生率：死亡率，但种群数量达到最大。

到达K值后，仍是呈锯齿状波动。

应用：生产上的捕获期就确定在种群数量为K／2时最好。

但杀虫效果最好的时期在潜伏期。

3．种群数量变化曲线与种群增长率曲线的关系
(1)图乙的0f段相当于图甲的ac段。

(2)图乙的f点相当于图甲的c点。

(3)图乙的fg段相当于图甲的cd段。

(4)图乙的g点相当于图甲的de段。

一．构建种群数量增长的数学模型1.种群数量增长的“J”型曲线（1）产生条件：食物和空间条件充裕、气候适宜、没有敌害等理想条件下。

（2）增长特点：种群数量每年以一定的倍数增大。

第二年是第一年的λ倍。

（3）量的计算：t年后种群的数量为：N t= N0λt（其中N0为起始数量，t为时间，N t表示t年后该种群的数量，λ为年均增长率）（4）“J”型曲线2. 种群数量增长的“S”型曲线（1）产生条件：有限的环境中，种群密度上升，种内个体间的竞争加剧，捕食者数量增加（2）增长特点：种群内个体数量达到环境条件所允许的最大值（K值——环境容纳量）时，种群个体数量将不再增加，保持在K值水平；（3）种群增长率：种群数量达到K值时，种群—增长停止种群数量在 K/2值时，种群—增长最快种群数量小于 K/2值时，种群—增长逐渐增长种群数量大于K/2值时，种群—增长逐渐减慢（4）“S”型曲线3. “J”型曲线和“S”型曲线的比较二、影响种群数量变化的因素：（一）内因1、起始种群个体数量。

2、导致种群数量增加的因素：出生率和迁入率。

3、导致种群数量减少的因素：死亡率和迁出率。

（二）外因1、自然因素：气候、食物、天敌、传染病等。

2、人为因素：种植业、养殖业发展，砍伐森林，猎捕动物、环境污染等。

三.研究种群数量变化的意义（1）有利于野生生物资源的合理利用及保护。

（2）为人工养殖及种植业中合理控制种群数量、适时捕捞、采伐等提供理论指导。

（3）通过研究种群数量变动规律，为害虫的预测及防治提供科学依据。

（4）有利于对濒危动物种群的拯救和恢复。

【高中生物】种群数量变化曲线辨析1种群数量变化的两种曲线模型建立项目j型快速增长曲线s型增长曲线条件在食物和空间条件充裕、气候适宜、没有敌害等理想状态资源和空间非常有限的实际状态模型假设在理想状态下，种群数量每年以一定的倍数增长，第二年的数量是第一年的λ倍。

①存有一个环境条件所容许的种群数量的最小环境容纳量k值非常有限，种群数量达至k时,种群将不再快速增长。

②环境条件对种群快速增长的迟滞促进作用,随着种群密度的减少而逐渐地按比例地减少。

模型创建【马尔萨斯模型：指数式增长】t年后种群数量为：nt＝n0λt【罗捷斯蒂克模型：k为环境的容纳量】其分成五个时期：潜伏期──个体太少，快速增长快；快速期──个体减少，快速增长慢；转折期──个体数达至k/2，增长速度最快；减速期──个体数少于k/2，增长速度减缓；饱和状态期──种群个体达至k值饱和状态。

2种群增长率与增长速率种群增长率就是指单位时间种群快速增长数量，种群增长率＝出生率d死亡率＝（长大数－死亡数）/（单位时间×单位数量）。

从个体的角度通常认知为每员增长率，即为看看种群中每个个体的快速增长情况：“j”型快速增长曲线，种群生活在无穷环境下，每员增长率与种群密度毫无关系，因而维持维持不变；“s”型快速增长曲线，种群生活在非常有限环境下，随着种群密度的下降，个体间对非常有限空间、食物和其他生活条件的种内斗争必将激化，以该种群杂食的捕食者的数量也可以减少，这就可以并使种群的出生率减少，死亡率升高，从而并使种群数量的增长率上升。

种群中每减少一个个体利用了1/k的空间,若种群中存有n个个体，就利用了n/k的空间，而供种群稳步快速增长的空间就只有(1-n/k)了。

运用音速的思维，如果种群数量n吻合0，那么1－n/k就吻合1，种群快速增长就吻合指数快速增长；如果n吻合k，那么1－n/k就吻合0，这意味著种群快速增长的空间极小甚至没。

也就是n越大，快速增长阻力就越大，种群增长率就越大。

种群增长率的计算公式1.离散型增长模型：离散型增长模型适用于种群数量在离散的时间段内发生变化的情况，其中最常用的模型是Malthus模型和Logistic模型。

1.1 Malthus模型：Malthus模型是由Thomas Robert Malthus在18世纪末提出的，他认为种群数量的增长速度与种群数量成正比。

该模型可以用以下公式表示：N(t) = N(0) * e^(rt)其中，N(t)表示时间t时刻的种群数量，N(0)表示初始种群数量，e是自然对数的底，r是每一单位时间内的增长率。

1.2 Logistic模型：Logistic模型在Malthus模型的基础上考虑了资源有限的情况，种群数量的增长速度受到资源限制的影响。

该模型可以用以下公式表示：N(t) = K / [1 + (K/N(0) - 1) * e^(-rt)]其中，N(t)、N(0)和r的含义与Malthus模型中相同，K表示环境的承载能力。

2.连续型增长模型：连续型增长模型适用于种群数量在连续的时间段内发生变化的情况，其中最常用的模型是Logistic模型和Verhulst模型。

2.1 Logistic模型：在离散型增长模型中已经介绍过Logistic模型的公式。

2.2 Verhulst模型：Verhulst模型是对Logistic模型的一种改进，它考虑了种群数量在资源有限条件下的波动。

该模型可以用以下微分方程表示：dN(t)/dt = r * N(t) * [1 - (N(t)/K)]其中dN(t)/dt表示时间t时刻种群数量的增长率，其值等于种群数量关于时间的导数，r表示每一单位时间内的增长率，K表示环境的承载能力。

第2节种群数量的变化课标内容要求核心素养对接尝试建立数学模型解释种群的数量变动。

科学思维—通过尝试建立数学模型表征种群数量变化的规律。

一、建构种群增长模型的方法1．数学模型：用来描述一个系统或它的性质的数学形式。

2．研究方法及实例二、种群的“J”形增长1．含义理想条件下种群增长的形式，以时间为横坐标，种群数量为纵坐标画出曲线来表示，曲线则大致呈“J”形。

这种类型的种群增长称为“J”形增长。

2．数学模型(1)模型假设①条件：食物和空间条件充裕、气候适宜、没有天敌和其他竞争物种等。

②数量变化：种群的数量每年以一定的倍数增长，第二年的数量是第一年的λ倍。

(2)建立模型：t年后种群数量为N t＝N0λt。

(3)模型中各参数的意义：N0为该种群的起始数量，t为时间，N t表示t年后该种群的数量，λ表示该种群数量是前一年种群数量的倍数。

三、种群的“S”形增长1．条件：自然界中的资源和空间总是有限的。

2．原因：随种群数量的增多，生物对食物和空间的竞争趋于激烈，导致出生率降低，死亡率升高。

当出生率等于死亡率时，种群的增长会停止，有时会稳定在一定的水平。

3．环境容纳量：又称K值，指一定的环境条件所能维持的种群最大数量。

4．应用(以大熊猫为例)(1)大熊猫锐减的重要原因大熊猫栖息地遭到破坏后，由于食物的减少和活动范围的缩小，其K值会变小。

(2)保护措施建立自然保护区，改善它们的栖息环境，从而提高环境容纳量，是保护大熊猫的根本措施。

四、种群数量的波动1．在自然界，有的种群能够在一段时期内维持数量的相对稳定。

2．对于大多数生物的种群来说，种群数量总是在波动中。

3．某些特定条件下可能出现种群爆发。

4．当种群长久处于不利条件下，种群数量会出现持续性的或急剧的下降。

五、探究培养液中酵母菌种群数量的变化1．计数方法：抽样检测法。

2．具体计数过程：先将盖玻片放在血细胞计数板的计数室上，用吸管吸取培养液，滴于盖玻片边缘，让培养液自行渗入。