Väestönkasvun kuviot ekosysteemissä

Monet tekijät vaikuttavat populaation kasvumalleihin, mutta yksi tekijä on lajin sisäinen kasvunopeus. Syntyvyys miinus kuolleisuusaste ilman ympäristörajoitteita määrittää lajin sisäisen kasvunopeuden. Ekosysteemissä resurssirajat ja saalistaminen vaikuttavat kuitenkin myös väestönkasvuun. Väestönkasvussa on neljä päämallia: J-malli, logistinen kasvu, ajallisesti vaihteleva ja saalistaja-saalis-vuorovaikutus. J-mallikannan kasvu jatkuu harvoin, koska luonnolliset rajoitukset asettavat lopulta yhden tai useamman kolmesta muusta populaationmuutosmallista lajille.

Väestö, jolla on rajattomat resurssit, ei kilpailua eikä saalista, näyttää J-muotoisen väestönkasvun. Myös eksponentiaalisena kasvuna tunnettu väestönkasvu alkaa hitaasti, kun yksilöitä on vähän, ja kasvaa sitten nopeasti sisäisellä kasvunopeudella. Kasvuvauhti muuttuu pian lähes pystysuoraksi. Vaikka tämä voi tapahtua sen jälkeen, kun populaatio on syöksynyt tulipalon tai sairauden takia, J-muotoinen populaation kasvu tapahtuu harvoin useimmissa makrolajeissa. Toinen aika, jolloin J-muotoinen kasvu tapahtuu, on, kun laji siirtyy uuteen ympäristöön, jossa ei ole kilpailua tai saalista. Invasiivisen lajin, kuten smaragdi-tuhkaporan ja aasialaisen karpin, kasvumalli osoittaa J-muotoisen populaation kasvua. Normaalisti J-muotoista väestönkasvua ei voida ylläpitää kauan, vaan lopulta sitä rajoittavat resurssit tai kilpailu.

Resurssien tai kilpailun rajoittamilla väestöillä on logistiset kasvumallit. Väestönkasvu alkaa hitaasti ja sillä on eksponentiaalinen vaihe, joka on samanlainen kuin J-muotoinen kasvu, mutta sen on kilpailtava resursseista eikä koskaan saavuta sisäistä kasvuvauhtia. Lopulta kasvuvauhti kavenee tasaiseen tilaan, kun ympäristö ei pysty enää tukemaan lajin yksilöitä. Tämä vakaa tila on ympäristön kantokyky. Joskus väestö ylittää suurimman kantokyvyn, mikä johtaa nopeaan kuolemaan, yleensä nälän vuoksi. Väestö laskee alle kantokyvyn ja palautuu sitten hitaasti kantokykyyn. Nämä väestönkasvun heilahtelut voivat jatkua jonkin aikaa, varsinkin jos kantokyky itse muuttuu.

Kausivaihteluilla on suuria vaikutuksia joihinkin lyhytaikaisiin lajeihin, kuten piileihin ja leviin. Joillakin lajeilla on suuria kausiluonteisia populaation kasvupurkauksia. Kun olosuhteet ovat vapautuneet saalistuksesta, levien nopea kasvu aiheuttaa leväkukintoja. Muut lajit kärsivät kausiluonteisesta populaation tukahduttamisesta kylmän sään kohdatessa. Makeanveden järvien piilevä kärsii väestön kuolemasta kylmällä säällä. Diatomilajeilla, joilla on nopea sisäinen kasvunopeus, on aluksi eksponentiaalinen populaation kasvu, mutta hitaammin lisääntyvät piilevät korvataan lopulta nopeammin kasvavat lajit lämpötiloissa lämmin. Jäähtyvät putoamislämpötilat estävät hitaammin kasvavia piilejä poistamasta kilpailua kokonaan. Nämä nopeasti kasvavat piimaan kasvumallit osoittavat nopeaa kasvua suuriin lukuihin, hitaan laskun takaisin pieniin lukuihin, väestönkasvun laskun ja talven kuoleman. Näiden organismien ekosysteemin kantokyky vaihtelee jatkuvasti, minkä seurauksena lajin numeerinen vaste vaihtelee.

Yksi tutkituimmista väestönkasvumalleista on se, missä saalistaja- ja saalipopulaatiot värähtelevät yhdessä; saalistajapopulaation kasvu on melkein aina jäljessä saaliskannan kasvusta. Tämä värähtelevä kuvio on Lotka-Volterra-malli. Näissä ekosysteemeissä saalistuksen aiheuttama numeerinen vaste kontrolloi saaliin väestönkasvua sen sijaan, että niukat resurssit rajoittaisivat saaliin väestönkasvua. Saalispopulaation laskiessa saalistajapopulaatio vähenee; saalispopulaatio kasvaa sitten eksponentiaalisesti, kunnes saalistajien populaatio palautuu. Näissä malleissa sairaudet ja loiset toimivat saalistajina, koska ne lisäävät saaliin kuolleisuutta.