Waves of desertification in a competitive ecosystem
我们研究了一个数学模型的灵感来自一个共同的场景在巴塔哥尼亚北部组成的人类和他们的牲畜与当地野生动物生活在一起。该地区的主要生产系统是养羊业，由于错误的历史管理，导致栖息地荒漠化，对本地野生动物和牲畜都产生了影响。特别是最大的本地食草动物，原驼，已经反映在他们的数量这种变化引起的环境。我们分析了一个数学模型，捕捉羊和原驼之间的相互作用的主要特点：层次竞争和人类授予的牛群的优势，并纳入了动态的栖息地。使用集合种群形式主义，两个食草动物的营养网扩展到一个补丁景观，考虑两个特征时间的动态资源。我们的研究强调了集合种群动态对资源恢复时间的依赖性。这些结果是由一个确定性的平均场模型，其中有一些相似之处的随机和空间扩展的支持。我们根据所考虑的参数找到不同的制度：两个物种共存、单个物种生存而另一个物种灭绝，以及两者都灭绝。值得注意的是，在参数空间的某些区域，我们检测到周期性时空模式的存在，具有恒定振幅的持续振荡。基于这些结果，我们进行了表征所观察到的情况下，以获得有关系统的见解。
2019-01-31 q-bio.PE
Spatial self-organisation enables species coexistence in a model for savanna ecosystems
热带稀树草原生物群落的特点是由草本和木本植物组成的连续植被覆盖。在干旱的热带稀树草原上，水的供应是植物生长的主要限制资源，物种的共存提供了一个明显的矛盾的竞争排斥的经典原则。以前的理论工作，使用非空间模型的重点是通过考虑资源生态位分离和生态系统干扰的共存机制的理解的发展。在本文中，我们提出了一个空间自组织原则，当地植被生长和水分再分配之间的正反馈，是足够的物种共存的稀树草原生态系统。基于Klausmeier反应-对流-扩散植被模式，提出了一个时空生态水文偏微分方程模型，研究了斜坡地形上物种共存的空间相互作用效应.我们的研究结果表明，物种共存是一个可能的模型的结果，如果保持平衡之间的物种的平均健身（一个物种的竞争能力，在空间均匀的设置）和他们的殖民能力。资源可用性的空间异质性被优越的殖民者（草）利用，然后被平均适应度更高的物种（树木）竞争。空间不均匀共存的解决方案的稳定性分析进一步表明，草作为生态系统工程师，促进形成一个连续的树木覆盖的降水水平无法支持一个统一的树木密度在没有草种。
2019-11-25 q-bio.PE
A novel metric for species vulnerability and coexistence in spatially-extended ecosystems
本文针对空间扩展集合群落中的物种共存与灭绝风险，提出由竞争平衡导出的脆弱性新度量及竞争得分方法，并经两个热带森林数据集验证。
2025-03-13 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Phenomenology and dynamics of competitive ecosystems beyond the niche-neutral regimes
生态种群的结构、组成和稳定性是由这些群落内的种间和种内相互作用形成的。这些相互作用与移民等其他因素的相互作用如何在噪音和波动的情况下控制生态系统的结构、多样性和长期稳定性，仍有待充分了解。我们解决这个问题，使用一个最小的模型，相互作用的多物种的生态社区，包括竞争，移民和人口噪音。我们发现，完整的相图表现出丰富的行为与多个制度，超越了经典的“利基”和“中性”制度，扩展和修改的“中性”或“利基”二分法。特别是，我们观察到新的制度，不能被描述为“利基”或“中性”的多模态物种丰度分布观察。我们描述了不同制度之间的过渡，并展示了它们是如何从潜在的物种更替，灭绝和入侵的动力学。我们的模型作为一个最小的空模型的嘈杂的竞争性生态系统，对更复杂的模型，包括突变和环境噪声等因素可以进行比较。
2023-01-13 physics.bio-ph q-bio.PE
From scale-dependent feedbacks to long-range competition alone: a short review on pattern-forming mechanisms in arid ecosystems
在干旱和半干旱生态系统中，植被格局丰富，但它们是如何形成的仍不清楚。其中一个最广泛的理论是在植物与植物和植物与水的相互作用中存在尺度依赖反馈（SDF）。短距离主要是促进性的相互作用，而竞争性的相互作用在更大的尺度上占主导地位。这些反馈形成了水的空间不均匀分布，最终推动了植被模式的出现。即使存在的促进和竞争的相互作用是明确的，他们往往很难解开在外地，因此，他们在植被格局形成的相关性仍然是有争议的。在这里，我们回顾了生物过程，已被提出来解释干旱生态系统中的格局形成，以及它们是如何在数学模型中实现的。最后，我们讨论在不同的生物和物理系统中存在类似的结构。
2018-01-04 nlin.PS q-bio.PE
The spatial dynamics of ecosystem engineers
种群动力学模型很少考虑生态系统非生物特征的变化，主要关注物种间的营养和竞争相互作用。然而，了解生物的种群动力学，必须改变他们的栖息地，以生存，所谓的生态系统工程师，需要明确纳入非生物相互作用的模型。在这里，我们研究了一个模型的生态系统工程师，是离散的空间和时间，工程师和他们的栖息地安排在补丁固定的网站的规则格子。工程种群的增长采用Ricker方程进行模拟，其承载力与密度相关，由改变的栖息地数量给出。扩散扩散阶段确保了一小部分工程师从他们的出生补丁移动到相邻的补丁。我们发现，扩散影响的集合种群动力学的情况下，只有在本地或单补丁动力学表现出混沌行为。这样，在种群内禀增长率较大的情况下，它可以抑制混沌行为，避免混沌现象的发生。
2017-08-10 q-bio.PE
Mechanisms promoting biodiversity in ecosystems
本综述针对理论生态学中竞争排除原理与生物多样性存在冲突的问题，梳理了多年来提出的促进生态系统生物多样性的各类机制，重点介绍缓解该原理约束的相关机制。
2024-04-23 q-bio.PE
Spatial Structure Supports Diversity in Prebiotic Autocatalytic Chemical Ecosystems
本研究扩展了自催化化学生态系统（ACEs）的生态框架，通过粒子随机反应扩散系统模拟发现，空间结构能通过允许互斥自催化循环共存和对新特征进行选择来增强ACE多样性。
2024-07-26 q-bio.PE
Diverse interactions and ecosystem engineering stabilize community assembly
一个生态群落的复杂性可以被提炼成一个网络，在这个网络中，不同的相互作用将物种连接在一个依赖的网络中。物种之间不仅相互作用，而且通过环境效应间接地相互作用，然而这些生态系统工程师的作用尚未在生态网络模型中得到考虑。在这里，我们探讨生态系统组装的动力学，在一个社区内的物种的殖民化和灭绝取决于营养，服务和工程依赖所施加的约束。我们表明，我们的组装模型再现了生态系统的许多关键特征，如在组装过程中的通才的作用，现实的最大营养水平，并增加嵌套与更高频率的互惠。我们发现，生态系统工程对灭绝率有很大的非线性影响，通过创造小生境空间促进鲁棒性，但同时增加了灭绝级联的幅度。我们强调冗余的重要性，在工程效果，并表明，这种冗余降低了殖民化的障碍，促进社区的多样性。总之，我们的研究结果表明，生态工程师可能会提高社区的多样性，同时增加持久性，促进殖民化和限制竞争排斥。
2019-08-06 q-bio.PE
Heterogeneity of Interaction Strengths and Its Consequences on Ecological Systems
生态系统是由物种网络及其相互作用形成的。这种相互作用的传统模型假设一对给定物种之间的相互作用强度恒定。然而，即使在同一物种内，个体生物之间也往往存在显着的性状变异，这导致了它们与其他物种相互作用强度的异质性。这种异质相互作用对生态系统的影响尚未得到系统的研究。作为一种理论探索，我们分析了一个简单的生态系统与两个捕食者和一个共享的猎物之间的营养相互作用，这将表现出竞争排斥模型与均匀的相互作用。我们考虑几种情况下，个体的猎物物种分化成不同的相互作用强度的亚群。我们表明，在所有这些情况下，无论异质性是固有的，可逆的，或适应性，生态系统可以稳定在一个新的平衡，所有三个物种共存。此外，与其捕食者具有异质性相互作用的猎物种群达到比没有异质性时更高的密度，甚至可以在两个捕食者存在时达到比只有一个捕食者更高的密度。我们的研究结果表明，异质性可能是一个自然选择的生态相互作用，生态系统的稳定性和多样性的重要后果的功能。
2022-04-29 q-bio.PE
Effect of resource dynamics on species packing in diverse ecosystems
竞争排斥原理认为，共存物种必须占据不同的生态位（即生存物种的数量不能超过资源的数量）。一个悬而未决的问题是了解不同的资源动态是否以及如何影响这一界限。在这里，我们分析了一个广义的消费者资源模型与外部提供的资源，并表明-自我更新的资源相反-物种只能占据所有可用的环境生态位的一半。这促使我们构建一个新的模式分类生态系统的基础上物种包装的属性。
2020-07-21 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Disturbance accelerates the transition from low- to high- diversity state in a model ecosystem
干扰对固着和相互竞争物种的模型生态系统的影响[Mathiesen et al. Phys. Rev. Lett. 107，188101（2011）; Mitarai等人Phys.Rev.E86，011929（2012）]。随机干扰将个体从系统中移除，并且所创建的空站点被邻近物种重新殖民。我们表明，稳定的高多样性状态，保持偶尔循环物种的相互作用，创造孤立的补丁的元种群，是强大的小干扰。我们进一步证明，有限扰动可以通过扩散具有对峙关系的物种之间的边界来帮助创建小斑块，从而加速从低多样性状态到高多样性状态的转变。
2014-02-17 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
The Waterwheel in the Waterfall
进化生态学研究的一个基本问题是解释不同物种如何在自然生态系统中共存。这个问题与物种营养竞争直接相关。然而，竞争理论，基于经典的逻辑Lotka-Volterra方程，导致错误的结论物种共存。其原因是错误地解释了种间相互作用，以竞争系数的形式表示。在这里，我使用的Logistic Lotka-Volterra型竞争方程，从所谓的资源竞争模型得到的物种共存的必要条件。这些模型表明，只有具有相同竞争能力的物种可以共存。由于竞争物种之间的这种关系，生态系统的生物多样性在进化过程中减少。
2004-01-26 q-bio.PE
Numerical implementation of dynamical mean field theory for disordered systems: application to the Lotka-Volterra model of ecosystems
动态平均场论（DMFT）是一种工具，允许分析随机动力学的$N$相互作用的自由度方面的自洽的$1$体问题。在这项工作中，专注于生态系统的模型，我们提出了推导DMFT通过动态腔方法，我们开发了一种方法来解决它的数值。我们的数值计算程序可以应用到各种各样的系统，DMFT持有。我们实现和测试它的广义随机Lotka-Volterra模型，并表明，复杂的动力学制度，其特征在于混沌和老化可以捕获和研究这个框架。
2019-01-28 cond-mat.dis-nn q-bio.PE
Competitive dominance in plant communities: Modeling approaches and theoretical predictions
对促进物种共存的过程进行定量预测是生态学中一个活跃的研究课题。特别是，竞争性的相互作用是众所周知的形状和维持生态群落，一些物种的竞争或支配其他一些物种的情况是描述自然生态系统的关键。在这里，我们发展生态理论，使用随机的，合成的框架，植物群落大会，导致服从于经验检验的预测。我们提出了两个随机连续时间马尔可夫模型，通过物种高度的层次结构，将竞争优势。第一个模型，这是空间隐含的，预测的预期数量的物种生存和条件下，高度聚集在实现的模型社区。第二个允许空间明确的相互作用的个人和替代机制，可以帮助较短的植物克服高度驱动的竞争，它表明，集群模式仍然不仅在本地，而且在不断增加的空间尺度。此外，虽然植物实际上是高度聚集在空间明确的模型，它允许植物物种丰度不一定倾斜到更高的植物。
2020-01-20 q-bio.PE
Unique steady annual cycle in marine ecosystem model simulations
海洋生态系统模型是评估海洋生物区系在气候变化中的作用以及通过对照观测数据验证模型输出结果来确定相关生物地球化学过程的重要工具。为了评估海洋生态系统模型，年周期解的存在性和唯一性（即，稳定的年周期）是可取的。为了分析一个稳定的年周期的唯一性，我们进行了大量的模拟，从不同的初始浓度的层次结构的地球化学模型与越来越复杂。数值结果表明，无论初始浓度如何，模拟都是以相同的定常年循环完成的。然而，由于数值不稳定性，在某些情况下，三个最复杂的地球化学模式的稳定的年循环的一些不可接受的近似。我们的数值结果表明，一个独特的稳定的年周期的实际应用。
2021-11-30 physics.ao-ph q-bio.PE
Non-neutral theory of biodiversity
我们提出了一个非中性的随机模型的动态发生在一个元社区生态系统中存在的迁移。该模型提供了一个框架来描述多种生态情景的出现，并表现在两个极端的限制，无论是作为生物多样性的统一中性学说〈动〉<动>或作为Bak-Sneppen模型。有趣的是，该模型显示了一个冷凝相变，其中一个物种成为优势物种，生态系统的多样性大大减少，生态系统是非平稳的。这一相变将竞争排斥原理扩展到开放生态系统，并可能与研究入侵物种对本土生态系统的影响有关。
2009-10-16 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.OT
Disentangling co-occurrence patterns in n-partite ecosystems
协调生态系统中显然不可调和的安排-嵌套和隔离-的需要迄今为止引发了不同的战略。方法上的改进，或包括行为偏好的网络动态提供了一个有限的方法来解决这个问题，因为一个仍然限制在一个生态系统的二维视图，即存在-不存在矩阵。在这里，我们质疑这种局部观点的范式，并表明嵌套和隔离可能共存于各种场景。要做到这一点，我们依赖于一个放大的生态社区的$n$ -partite超图，启发Hutchinson的高维生态位概念和生态多层网络的最新趋势。这产生了一个包容性的描述生态系统，我们开发了一个自然的扩展嵌套的定义更大的维度空间，揭示了如何竞争性排斥可能会运作，无论一个高度嵌套的二分系统。
2018-07-12 nlin.AO physics.bio-ph physics.soc-ph
The joint influence of competition and mutualism on the biodiversity of mutualistic ecosystems
生态系统中物种之间的关系可以用复杂的网络来表示，其中同时存在负（竞争）和正（互利）相互作用。近年来的研究表明，许多生态系统可以形成互惠网络，嵌套减少了物种间的有效竞争，从而促进了互利的相互作用，增加了共存物种的数量或生物多样性。然而，目前的方法忽略了种间竞争的结构，采用平均场的观点，没有处理好竞争的相互作用。在这里，我们介绍了一个框架的基础上的概念，多层网络，自然占互利和竞争。因此，我们放弃了平均场假设，并显示，通过动态人口模型和数值模拟，有一个复杂的关系之间的竞争和互惠。具体来说，我们表明，当所有的相互作用都考虑在内，互惠并不具有相同的后果，专家和通才物种的进化。这导致了一个非平凡的配置文件中的参数空间的竞争和互惠的生物多样性。我们的研究结果强调如何同时考虑积极和消极的相互作用，有助于我们理解生态系统中的拓扑结构和生物多样性之间的微妙权衡，并呼吁重新考虑以前的理论生态学研究结果，因为它们可能会影响互惠系统的结构和动力学稳定性。
2017-03-17 physics.soc-ph q-bio.PE
Statistical mechanics and stability of a model eco-system
我们从无序系统理论出发，利用动力学方法研究了一个模型生态系统。该模型描述了一组物种通过资源的背景，它们赖以为生的竞争相互作用。此外，物种之间的直接竞争或合作相互作用可以通过随机耦合矩阵发生。我们计算了系统在固定点区域的序参数，并确定了不稳定的发生和计算相图。我们重点研究了资源的可变性、物种间的直接相互作用、合作压力和稀释对生态系统稳定性和多样性的影响。结果表明，只有在没有合作压力或物种之间的直接相互作用的情况下，资源才能得到最佳利用。
2007-09-04 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Community-level cohesion without cooperation
最近的工作提请注意社区-社区接触（“聚结”）可能是塑造自然生态系统的一个重要因素。这项工作建立在麦克阿瑟的竞争共存的经典模型，以调查这种社区层面的竞争在一个最小的理论设置。结果表明，一个物种的生存能力的聚结事件是最好的预测社区水平的“健身”的原生社区，而不是物种本身的内在性能。这里提出的模型允许正式的宏观角度，使一个社区窝藏生物在不同的丰度成为相当于一个单一的生物体表达基因在不同的水平。虽然大多数自然群落并不满足多层次选择理论发展的多细胞性的严格标准，但这里描述的有效凝聚力是劳动分工的一般结果，不需要合作相互作用，并且可以预期在微生物生态系统中广泛存在。
2016-03-10 q-bio.PE
Intermittent precipitation and spatial Allee effects drive irregular vegetation patterns in semiarid ecosystems
Utah State University（犹他州立大学）；University of British Columbia（不列颠哥伦比亚大学）
本研究通过整合间歇性降水与本地阿勒效应，揭示随机降雨如何塑造半干旱生态系统中不规则植被模式及持续性。
2026-02-05 nlin.AO q-bio.PE
A novel Three-step Network-based Ecosystem Modelling Framework
NEMF是一种新型的基于网络的生态系统建模框架。它是一个灵活易用的工具，用于模拟低至中等复杂性的生态系统。它是围绕通过隐含定义一组微分方程的网络来可视化生态系统的想法而设计的。这些方程，然后解决数字，也可以逆建模。该框架提供了处理非平衡、非线性相互作用的功能。
2021-04-12 physics.soc-ph q-bio.PE q-bio.QM
Minor climatic fluctuations lead to species extinction in a conceptual ecosystem model
物种灭绝是影响地球生命多样性的核心过程。调查生态系统变化的原因和后果的一种方法是建立概念性的生态模型，并利用这些模型的动态结果来提供地球生物圈变化的定量形式化。在本文中，我们提出并研究了一个概念资源模型，描述了一个简单，易于理解的资源竞争机制，推广了著名的Huisman和Weissing模型，并考虑到物种的自我调节，克制，和时间依赖性的资源。我们使用分析调查和数值模拟研究我们的模型下的动力学的混沌和周期性的气候振荡，并表明，我们的模型的随机动力学表现出很强的依赖于初始参数。我们还表明，在我们的模型中的排斥是不可避免的，如果一个生态系统具有最大可能的生物多样性，并使用最大量的资源。我们的概念模型提供了理论支持的建议，非线性过程是重要的，在地球历史上的重大灭绝事件。
2017-11-27 q-bio.PE
A universal niche geometry governs the response of ecosystems to environmental perturbations
本文提出一种基于几何变换的普适理论框架，将广义消费者-资源模型中的环境扰动映射为生态位结构变化，并证明仅凭物种响应难以区分合作与竞争相互作用。
2024-11-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Extinction dynamics of Lotka-Volterra ecosystems on evolving networks
研究了一类由Lotka-Volterra型方程描述的多种群生态系统模型。物种之间的相互作用形成了一个网络，其演化由模型的动力学决定。数值模拟表明，幂律分布的间隔之间的保护，但只有生态系统具有足够的物种的变异性和网络的连接超过一定的阈值，是非常接近的网络的渗透阈值。研究了缓慢环境变化对物种灭绝动力学、物种间相互作用网络的度分布以及模型的一些涌现性质的影响。
2004-06-02 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
A mechanistic verification of the competitive exclusion principle
生物多样性保护日益紧迫。重要的是要找到具有不同适应性的物种在特别困难的情况下竞争共存的机制-在一个有限的资源上，在孤立的稳定的统一栖息地，没有任何权衡和合作的相互作用。在这里，我们展示了一个竞争共存机制的基础上的孤立子行为的人口波。我们用逻辑公理化的确定性个体元胞自动机方法对其进行了建模。我们的人口和生态系统动力学的机制模型是白盒类型，所以他们提供了直接的洞察机制正在研究中。该机制提供了两个，三个和四个竞争物种的不确定共存。这种机制违反了竞争排斥原理的已知公式。因此，我们提出了一个完全机械和最严格的原则表述。
2013-05-01 q-bio.PE q-bio.QM
Intraspecific predator interference promotes biodiversity in ecosystems
针对浮游生物悖论等生物多样性难题，本研究提出机理模型，证明消费者种内干扰可让多物种与少量资源稳定共存且抗随机性，能解释经典实验与秩-多度曲线规律，助力破解自然生态系统生物多样性之谜。
2024-04-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Interconnection between density-regulation and stability in competitive ecological network
本研究利用随机矩阵理论分析theta-逻辑斯蒂竞争模型，发现强密度依赖性物种比例增加及网络连接度提高可增强生态群落稳定性，且该结论在不同网络架构下均稳健。
2025-06-25 q-bio.PE
Dynamical mean-field theory: from ecosystems to reaction networks
自然生态系统和生物化学反应网络都涉及异质性代理的群体，其合作和竞争的相互作用导致了物种丰度的丰富动态，尽管规模差异很大。大型生态系统多样性的维持是一个长期存在的难题，最近通过随机模型的动力学平均场论的推导取得了进展。特别是，最近已经表明，这些随机模型有一个混乱的阶段，其中丰度显示野生波动。当包括适度的空间结构时，这些波动稳定下来，多样性得以维持。这些现象是否以及如何在生化反应网络中有相似之处，目前尚不清楚。建立这种联系是有趣的，因为生命需要大量分子物种之间的合作。在这项工作中，我们发现了一个反应网络，其大规模的行为恢复随机Lotka-Volterra模型最近被认为是在理论生态学。我们澄清了必要的假设，以获得其大尺度的描述，并揭示了基本的假设上的噪音恢复以前的动态平均场论。然后，我们展示了如何当地细致平衡和积极的反应速率，这是关键的物理要求的化学反应网络，建设一个相关的动力学平均场论的生化反应网络提供了障碍。最后，我们概述了未来的前景和挑战。
2022-11-10 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech nlin.AO
Marginally Stable Equilibria in Critical Ecosystems
在这项工作中，我们研究了由大量物种形成的生态系统所达到的平衡的稳定性。我们关注的模型是具有对称随机相互作用的Lotka-Volterra方程。我们的理论分析，证实了我们的数值研究，表明，强和异质相互作用的系统显示多个平衡，都是边际稳定。这个属性使我们能够获得多样性和单一物种的反应，推广和饱和梅的界限之间的一般身份。通过将该模型与凝聚态物理中研究的系统相连接，我们证明了多重平衡态类似于临界自旋玻璃相。这种关系提供了一个新的视角，为什么在几个不同领域的许多系统似乎是在稳定的边缘，也提出了新的实验方法来探测边缘稳定性。
2017-10-10 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Species assembly in model ecosystems, II: Results of the assembly process
在这组的配套文件（Capitan和Cuesta，2010）中，我们已经开发了Capitan等人（2009）引入的物种组装模型的完整分析处理。该模型是基于一个包含所有可行的配置社区的组装图的建设，并定义了一个马尔可夫链的过渡是由新种〈动〉<动>入侵的社区的转换。在本文中，我们提供了一个详尽的数值分析的模型，描述的平均时间经常性的状态，雪崩的统计，和依赖的结果上的可用资源的量。我们的研究结果是基于这样一个事实，即马尔可夫链提供了一个渐近概率分布的经常性状态，它可以用来获得平均值的观测值，以及这些幅度的时间变化在连续的，在一个确切的方式。由于吸收到经常性的集合的时间被发现是可比的系统的大小，最终状态很快达到（在入侵时间的单位）。因此，最终的生态系统可以被视为一个波动的复杂系统，在这个系统中，物种不断地被新物种取代，而从来没有离开过循环模式。组装图由大多数入侵被接受的途径主导，引发小灭绝雪崩。通过组装过程，社区的复原力变差（例如，具有更高的恢复平衡时间），但在对新入侵的抵抗力方面变得更加强大。
2010-09-22 q-bio.PE
Modelling of Bad Biomass Invasion of a Food Chain Ecosystem with Optimal Control
在本文中，我们提供了一个模型来描述生态系统中的物种的动态后，它已经被一个坏的竞争物种袭击。竞争物种侵入本地植物的营养，二氧化碳和空间。这影响了生态系统中本地物种的数量。从生态系统平衡点和稳定性两个方面考察了不良生物量对生态系统的影响。利用庞特里亚金最大值原理构造了一个使坏生物量扩散最小化的哈密顿函数，建立了一个最优控制系统。数值模拟结果进行了分析。研究表明，优良生物量的内禀增长率r是维持生态系统持续生存的重要因素。如果优良生物量的增长率增加，其他物种表现出积极的增长。除了良好生物量的增长率外，鱼类和鸟类的死亡率也影响着生态系统的状况。模拟结果还表明，入侵的不良物种生物量的引入影响了良好的生物量的增长。这是由于营养，二氧化碳，好的和坏的生物酶之间的空间竞争的结果。实施控制单元后，模拟结果显示，良好的生物量，鱼类和鸟类种群的增长有所改善，而不良的生物量增长则有所下降。
2019-11-17 math.DS q-bio.PE
Route to Chaos in Multi-Species Ecosystems
本研究通过数学模型揭示多物种生态系统中由种间相互作用变异性驱动的Hopf分岔导致极限环和混沌的路径，并证明该路径在强相互作用及捕食者-猎物主导系统中普遍存在。
2025-09-08 nlin.AO q-bio.PE
A sequential approach to calibrate ecosystem models with multiple time series data
本文提出了一种用于生态系统模型的序贯多阶段校准方法，利用参数的模型依赖性和时间变异性等标准确定参数估计的优先顺序，并以北洪堡洋流生态系统的ROMS-PISCES-OSMOSE模型进行案例展示。
2015-09-21 q-bio.PE q-bio.QM stat.ME
Species assembly in model ecosystems, I: Analysis of the population model and the invasion dynamics
最近，我们引入了一个简化的生态系统组装模型（Capitan等人，2009年），我们能够以精确的方式绘制出由外部入侵产生的所有组装途径。在本文中，我们提供了一个更深入的分析模型，获得分析结果，并介绍了一些近似，使我们能够重建我们以前的工作的结果。特别地，我们证明了一类非常一般的营养级结构食物网的种群动力学方程存在唯一的全局稳定的内部平衡点。我们分析表明，社区发现的组装过程的最终状态是金字塔形的，我们发现，在任何营养水平的任何物种的平衡丰度是近似成反比的物种数量在该级别。我们还发现，入侵居民社区的顶级捕食者的人均增长率是理解我们以前的工作中报告的复杂的最终状态的关键。这些速率的符号允许我们在参数空间中分离区域，其中最终状态是单个社区或包含多个社区的复杂集合。我们还建立了分析近似的物种丰度的时间演变，使我们能够确定，高精度，入侵可能导致的灭绝的顺序。最后，我们应用这种分析来获得最终状态的社区。为了测试的准确性的过渡概率矩阵产生的分析过程中的最终状态，我们比较了这些集的平均值与从图中获得的数值积分的Lotka-Volterra方程。协议非常好。
2010-09-22 q-bio.PE
Fluctuation-induced dissipation in evolutionary dynamics
生物多样性和灭绝是进化的核心问题。生态系统中不同物种间的动态平衡常被确定性复制子方程描述，并取得了一定的成功。然而，波动是不可避免的，无论是由外部环境或内在的随机竞争在有限的人口，和演化动力学是随机的。在这里，我们表明，经过适当的粗粒化，随机波动产生耗散灭绝，因为在相空间中的所有竞争物种的演化轨迹具有正曲率。作为一个示范性的例子，我们比较了洛特卡-沃尔泰拉模型中的涨落诱导耗散动力学与数值模拟，发现令人印象深刻的协议。我们的发现与统计力学中的涨落耗散定理密切相关，但显著的区别在于一般演化动力学的非平衡本质。由于演化中的生态系统远离平衡，波动与耗散之间的关系往往是复杂的，并依赖于微观细节。因此，值得注意的是，轨迹曲率的一般正性保证了看似无害的波动所产生的耗散。非预期耗散动力学是传统复制子方程无法描述的，它在研究生态系统生物多样性中起着至关重要的作用。
2014-11-24 q-bio.PE
Spatially disordered environments stabilize competitive metacommunities
本研究开发多层网络模型，发现空间无序通过生态位自发局域化稳定竞争性元群落中的物种共存，为理解景观结构促进生物多样性提供新框架。
2024-04-15 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
An ecological framework for the analysis of prebiotic chemical reaction networks and their dynamical behavior
人们越来越普遍地认为，在生命起源的早期，甚至在遗传编码出现之前，各种小化学物质的反应网络可能已经表现出生命的关键特性，即自我传播和适应性进化。为了探索这种可能性，我们形式化的化学反应网络的化学生态系统生态学的框架内的动力学。为了捕捉生命般的化学系统是由富含能量的食品化学品的通量维持平衡的想法，我们在混合良好的容器中模拟化学生态系统，这些容器受到具有固定浓度的食品化学品的溶液的不断稀释。将所有化学反应建模为完全可逆的，我们发现，用少量的一种或多种其成员化学物质播种自催化循环（AC）会导致循环中所有成员化学物质的逻辑增长。这一发现证明了在AC和生物物种的种群之间进行有启发性的类比是合理的。我们扩展这一发现表明，对AC可以表现出竞争，捕食者-猎物，或互惠协会就像生物物种。此外，当环境中存在随机性时，特别是在活性炭的播种中，化学生态系统可以表现出类似于进化的复杂动态。当网络结构导致生态优先（第一个生存）时，进化特征尤其明显，这使得历史上的演替路径取决于循环的播种顺序。尽管很简单，但这里开发的框架有助于可视化生命前化学反应网络中的自催化如何产生类似生命的特性。此外，化学生态系统生态学可以为探索适应动力学的出现和基于聚合物的遗传系统的起源提供有用的基础。
2020-01-09 q-bio.MN q-bio.PE
A phenomenological spatial model for macro-ecological patterns in species-rich ecosystems
在过去的几十年里，生态学家已经认识到，在相对较大的空间尺度上描述生态群落的关键生态模式不仅依赖于尺度，而且紧密交织在一起。物种的相对丰富度，告诉我们物种的共性和稀有性，从小到大的空间尺度改变其形状。物种的平均数量作为面积的函数有一个陡峭的初始增加，然后在大规模的斜坡下降。最后，如果我们在一个给定的位置找到一个物种，我们更有可能在附近找到同一物种的个体，而不是相距更远。这种空间周转取决于物种的地理分布，而这些物种往往在空间上聚集在一起。这反映了一个区域内物种的丰度和丰富度，但到目前为止，很难量化这种关系。在一个中性的框架内，它认为所有的个人竞争力相当，我们引入了一个空间随机模型，现象学帐户的出生，死亡，移民和本地分散的个人。我们计算的对相关函数，封装空间营业额，和条件概率找到一个物种与一定的人口在一个给定的圆形区域。此外，我们计算了宏观生态格局，我们已经提到的，并比较了解析公式和数值积分的模式。最后，我们将模型预测与两个低地热带森林资源清查的经验数据进行了对比，结果总是吻合得很好。
2016-09-12 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
How network temporal dynamics shape a mutualistic system with invasive species?
生态网络使我们能够研究生态系统的结构和功能，并深入了解物种的恢复力/稳定性。对这种生态网络的研究通常是集中在有限的特定空间和时间范围内的快照，阻碍了我们感知生态过程的真实动态。根据定义，外来物种具有一些生态策略和特征，使其能够比本地物种更好地竞争（例如没有捕食者，不同的开花期，高生长率等）。植物-传粉者网络为整个生态系统提供了宝贵的服务，外来物种的引入可能对本地网络产生不同的影响（竞争促进、本地物种灭绝等）。虽然科学家们承认网络连接在推动生态系统服务方面的重要性，但将临时网络纳入生态模型仍处于起步阶段。我们建议使用现有的季节性数据来开发一个模拟平台，显示网络的时间性和入侵特征之间的推理。我们的重点只是拿起一些简单的模型来表明，理论上的时间方面发挥作用（不同的灭绝模式），鼓励生态学家参与时间网络。此外，衍生的模拟可以进一步扩展和调整到其他生态问题。
2014-07-16 cs.MA math.DS nlin.AO
Toxin-allelopathy among phytoplankton species prevents competitive exclusion
产毒浮游植物（TPP）释放的有毒或化感化合物在浮游生物动力学中起着强有力的媒介作用。在分析的浮游植物生物量的一组数据，已收集到我们的小组在西北部的孟加拉湾，并通过分析的三个组成部分的数学模型下的一个常数以及随机环境，我们探索的作用，毒素化感作用，在确定的动态行为的竞争浮游植物物种。总体结果，分析和数值翅膀的基础上，表明，由于产生毒素的浮游植物（TPP）的毒素化感作用，促进那些竞争性浮游植物，否则将表现出竞争性排斥的弱势物种的稳定共存。我们的研究表明，TPP可能是一个潜在的候选人，以维持竞争浮游植物物种的共存和多样性。
2006-07-12 q-bio.PE
How Combined Pairwise and Higher-Order Interactions Shape Transient Dynamics
本研究提出融合成对与高阶交互的模型，发现高阶交互能显著缩短平均瞬态时间并加速生态系统向稳定共存收敛，为生态保护与管理提供了实用框架。
2024-09-25 nlin.AO q-bio.PE
The geometry of coexistence in large ecosystems
物种之间的相互作用在控制生态系统的稳定性和生物多样性之间的相互作用的作用仍然没有得到很好的理解。生态群落在物种丰度受到小扰动后恢复的能力（局部渐近稳定性）已经得到了很好的研究，而当相互作用发生变化时，群落持续存在的可能性（结构稳定性）受到的关注要少得多。我们的目标是了解多样性，相互作用强度和生态网络结构对参数空间体积的影响，从而导致可行的平衡，即，所有种群的丰度都是正的我们开发了一个几何框架来研究可行的共存互惠和消费资源系统的必要条件的范围。使用分析和数值方法，我们表明，可行性是由少数数量描述的相互作用，产生一个非平凡的复杂性可行性关系。通过分析100多个经验网络，我们发现互惠系统中共存条件的范围可以通过随机相互作用的零模型进行分析预测，而食物网的特征在于比随机预期的共存域更小。最后，我们描述了可行域的几何形状，从而确定了更有可能引起扰动的扰动方向。有趣的是，互惠互动的结构导致了对扰动的非常异质的反应，使这些系统比预期的更脆弱。
2016-06-14 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Reconciling cooperation, biodiversity and stability in complex ecological communities
经验观察表明，生态群落可以有大量的共存物种，也有很少或有限数量的资源。这些生态系统的特点是多种类型的相互作用，特别是表现出合作行为。然而，基于Lotka-Volterra方程的种群动力学的标准模型预测，生态系统的稳定性应该随着群落中物种数量的增加而降低，并且合作系统比仅具有竞争和/或剥削相互作用的群落更不稳定。在这里，我们提出了一个随机模型的种群动力学，其中包括剥削的相互作用，以及合作的相互作用引起的交叉喂养。通过对模型的精确求解，得到了相应的宏观生态格局，如物种多度分布和相关函数。在大的系统规模限制下，任何数量的物种都可以共存于一个非常普遍的相互作用网络，并且稳定性随着物种数量的增加而增加。对于纯粹的互惠/互利的相互作用，我们确定的拓扑性质的网络，保证物种共存。我们还表明，定态是全球稳定的，推断物种之间的相互作用，通过物种丰度的相关性分析可能会产生误导。因此，我们的理论方法表明，适当的合作模式自然会导致解决长期存在的问题的复杂性-稳定性悖论和高度生物多样性的社区如何共存。
2018-05-17 math.PR q-bio.PE
Reconciling cooperation, biodiversity and stability in complex ecological communities
经验观察表明，生态群落可以有大量的共存物种，也有很少或有限数量的资源。这些生态系统的特点是多种类型的相互作用，特别是表现出合作行为。然而，基于Lotka-Volterra方程的种群动力学的标准模型预测，生态系统的稳定性应该随着群落中物种数量的增加而降低，并且合作系统比仅具有竞争和/或剥削相互作用的群落更不稳定。在这里，我们提出了一个随机模型的种群动力学，其中包括剥削的相互作用，以及合作的相互作用引起的交叉喂养。通过对模型的精确求解，得到了相应的宏观生态格局，如物种多度分布和相关函数。在大的系统规模限制下，任何数量的物种都可以共存于一个非常普遍的相互作用网络，并且稳定性随着物种数量的增加而增加。对于纯粹的互惠/互利的相互作用，我们确定的拓扑性质的网络，保证物种共存。我们还表明，定态是全球稳定的，推断物种之间的相互作用，通过物种丰度的相关性分析可能会产生误导。因此，我们的理论方法表明，适当的合作模式自然会导致解决长期存在的问题的复杂性-稳定性悖论和高度生物多样性的社区如何共存。
2018-05-16 physics.bio-ph q-bio.PE
Species clustering in competitive Lotka-Volterra models
研究了Lotka-Volterra竞争模型的性质，其中物种间的相互作用强度依赖于它们在抽象生态位空间中的位置，通过竞争核.我们分析和数值计算表明，这些模型的属性发生显着变化时，这个内核的傅立叶变换是不正定的，由于图案形成不稳定。我们估计的物种分布的性质，如稳定的物种数和它们的间距，为不同类型的内核。
2007-02-16 nlin.PS q-bio.PE
The advantage of being slow: the quasi-neutral contact process
根据竞争排斥原理，在有限的生态系统中，当两个或两个以上的物种竞争相同的资源时，自然会发生灭绝。由此产生的一个重要问题是：当共存是不可能的，什么机制赋予一个特定的物种对其他（S）的优势？一般来说，预计具有较高的繁殖/死亡比的物种将赢得竞争，但其他机制，如种间竞争的不对称性或不平等的扩散率，已被发现显着改变这种情况。在这项工作中，我们研究竞争优势的背景下，准中性人口模型，包括随机模型的空间结构以及宏观（平均场）的描述。我们采用了两种接触的过程中，“生物钟〈动〉“的一个物种是一个因素的$α$慢于其他物种。我们的研究结果提供了新的见解如何随机性和竞争相互作用，以确定在有限的空间系统灭绝。我们发现，在资源有限的情况下，生物钟〈动〉<动>较慢的物种具有优势，在相对较小的系统中赢得了与生物钟较快的物种的竞争。周期性或随机的环境变化也有利于较慢的物种，即使在更大的系统中。
2017-07-21 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Data-driven competitive facilitative tree interactions and their implications on nature-based solutions
时空数据比以前更加普遍和丰富，这些数据的可用性给数据分析带来了巨大的挑战。生态促进是指个体密度对个体在压力梯度下生存的积极影响，是一个复杂的现象。大量的树木个体加上土壤水分，温度和水分胁迫的数据在很长的时间内进行了跟踪。在不存在假设的情况下进行数据驱动分析。信息理论分析的多个统计模型，以量化的最佳数据驱动指数的植被密度和空间尺度的相互作用。随后，树木的存活率被量化为一个函数的大小的个人，植被密度，和时间在最佳的空间相互作用尺度。地表温度和土壤湿度也可以通过树木大小、密度和时间进行统计解释。结果表明，在空间上，同一生态系统中同时存在着促进和竞争，其强度和强度取决于空间尺度。总体而言，在最佳的数据驱动的空间尺度，树的生存最好的解释密度和年之间的相互作用，筛选整体从促进竞争通过时间。然而，小尺寸的树木总是有利于增加密度，而大尺寸的树木有负或没有密度效应。树的大小是更重要的预测比密度的生存，这对基于自然的解决方案的影响：保持大的树木个体或种植物种，可以成为大尺寸可以防止树木少的地区，通过促进生存在长时间内通过恶劣的环境条件。高大的树木在调节地表温度方面也有显着的作用。
2018-10-09 q-bio.PE q-bio.QM stat.AP
Dispersal diversity buffers species vulnerability to local extinction
University of Padova（帕多瓦大学）；National Biodiversity Future Center（国家生物多样性未来中心）；The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics（阿卜杜斯·萨拉姆国际理论物理中心）；University of Lausanne（洛桑大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；CMCC Foundation, Euro Mediterranean Center on Climate Change（欧洲地中海气候变化中心基金会）；École Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）
本文提出基于复杂系统统计物理的通用框架，通过整合物种生存关键过程，将竞争平衡作为可测量指标，揭示扩散策略多样性降低物种易受伤害性的机制。
2026-07-21 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Successful strategies for competing networks
竞争相互作用是生物学和社会学系统中进化和自然选择背后的驱动力之一。例如，生态系统中的动物可能会争夺食物或配偶;在市场经济中，公司可能会争夺同一群客户;感官刺激可能会争夺有限的神经资源，以便进入注意力的焦点。在这里，我们推导出规则的基础上的频谱特性的网络管理的竞争性相互作用组的代理人组织在网络中。在这里研究的场景中，竞争的获胜者以及获胜所需的时间基本上取决于给定网络连接到其竞争对手的方式及其内部结构。我们的研究结果可以评估真实网络优化其交互结果的程度，但也提供了竞争网络可以改善其状况的策略。所提出的方法适用于广泛的系统，可以建模为网络。
2013-07-02 cs.SI nlin.AO physics.soc-ph
A structure-preserving numerical approach for simulating algae blooms in marine water bodies of western Patagonia
巴塔哥尼亚峡湾地区是世界上最大的河口地区之一。每个水体都表现出独特的水动力学行为，对生态系统的地球化学特征产生巨大影响。在这方面，藻类大量繁殖是具有重大意义的生态现象。数值模拟已被证明是了解其影响的一种有前途的工具。它还没有被用于研究该地区的藻类水华。本文的重点是提出一种新的数值模型来模拟发生在巴塔哥尼亚西部水体的短暂藻华。所提出的模型提出了一个权衡复杂性和适用性，因为现场数据稀疏区不鼓励使用更复杂的方法。该模型基于水柱的两层描述。第一层代表真光层，在真光层中使用NPZD型嵌入式生态地球化学模型来模拟质量守恒的营养网。高强度的风驱动水柱混合，引入向上流动的营养物质，提高初级生产率。一个时间相关的高斯脉冲被用来描述这个过程。由于碎屑下沉造成的质量损失也包括在内。然后，生态系统的动态是由一个外部强制的，非自治系统的常微分方程，其特征在于严格的正轨迹，但它不再是质量守恒的装置。设计了一种基于分裂合成技术的保结构时间积分器来求解系统方程。它是铸造作为一个三步算法，并提供了一个准确的估计生物量通量。此外，基于遗传算法的工具用于校准模型的参数在现实的情况下。所提出的模型应用于在南部峡湾的冬季水华的详细研究。
2020-07-23 physics.ao-ph q-bio.PE q-bio.QM
