Patronen van bevolkingsgroei in een ecosysteem

Veel factoren beïnvloeden de patronen van populatiegroei, maar één factor is de intrinsieke groeisnelheid van een soort. Het geboortecijfer minus het sterftecijfer zonder milieubeperkingen definieert een intrinsieke groeisnelheid van een soort. Binnen een ecosysteem hebben echter ook hulpbronnenbeperkingen en predatie invloed op de bevolkingsgroei. Er zijn vier hoofdpatronen van populatiegroei: J-patroon, logistieke groei, tijdelijk fluctuerende en roofdier-prooi interactie. Populatiegroei volgens J-patroon houdt zelden aan, omdat natuurlijke beperkingen uiteindelijk een of meer van de andere drie patronen van populatieverandering aan de soort opleggen.

Een populatie met onbeperkte middelen, geen concurrentie en geen predatie vertoont een J-vormige bevolkingsgroei. Ook bekend als exponentiële groei, begint de bevolkingsgroei langzaam als er weinig individuen zijn en neemt vervolgens snel toe met zijn intrinsieke groeisnelheid. De groeisnelheid wordt al snel bijna verticaal. Hoewel dit kan gebeuren na een populatiedaling als gevolg van brand of ziekte, komt J-vormige populatiegroei niet vaak voor bij de meeste macrosoorten. Een andere keer dat J-vormige groei optreedt, is wanneer een soort naar een nieuwe omgeving verhuist waar geen concurrentie of predatie is. Het groeipatroon van een invasieve soort, zoals smaragdgroene essenboorder en Aziatische karper, laat een J-vormige populatiegroei zien. Normaal gesproken kan de J-vormige bevolkingsgroei niet lang worden volgehouden en wordt deze uiteindelijk beperkt door middelen of concurrentie.

Populaties die worden beperkt door middelen of concurrentie hebben logistieke groeipatronen. De bevolkingsgroei begint langzaam en heeft een exponentiële fase, vergelijkbaar met J-vormige groei, maar moet strijden om hulpbronnen en nooit zijn intrinsieke groeitempo bereiken. Uiteindelijk neemt de groeisnelheid af naar een stabiele toestand wanneer de omgeving niet meer individuen van de soort kan ondersteunen. Deze stabiele toestand is de draagkracht van de omgeving. Soms overschrijdt de populatie het maximale draagvermogen, wat leidt tot een snelle afsterving, meestal als gevolg van hongersnood. De populatie zakt onder de draagkracht, en herstelt zich daarna langzaam weer naar de draagkracht. Deze schommelingen in de bevolkingsgroei kunnen nog enige tijd aanhouden, vooral als de draagkracht zelf verandert.

Seizoensveranderingen hebben grote gevolgen voor sommige kortlevende soorten zoals diatomeeën en algen. Sommige soorten hebben grote seizoensgebonden populatiegroei-uitbarstingen. Eenmaal door omstandigheden bevrijd van predatie, veroorzaakt snelle algengroei algenbloei. Andere soorten lijden aan seizoensgebonden onderdrukking van de populatie wanneer koud weer toeslaat. Diatomeeën in zoetwatermeren lijden onder bevolkingssterfte bij koud weer. Diatomeeënsoorten met snelle intrinsieke groeisnelheden hebben aanvankelijk een exponentiële populatiegroei, maar langzamer reproducerende soorten diatomeeën vervangen uiteindelijk de sneller groeiende soorten bij temperaturen warm. Koele herfsttemperaturen voorkomen dat de langzamer groeiende diatomeeën de concurrentie volledig uitschakelen. De groeipatronen van deze snelgroeiende diatomeeën laten een snelle groei zien tot grote aantallen, een langzame terugval naar lage aantallen, een toename van de bevolkingsgroei in de herfst gevolgd door afsterven in de winter. De draagkracht van het ecosysteem is voortdurend in beweging voor deze organismen met als gevolg variatie in de numerieke respons van de soort.

Een van de meest bestudeerde modellen voor populatiegroei is waar roofdier- en prooipopulaties samen oscilleren; de groei van de roofdierpopulatie blijft vrijwel altijd achter bij de groei van de prooipopulatie. Dit oscillerende patroon is het Lotka-Volterra-model. In deze ecosystemen regelt de numerieke respons veroorzaakt door predatie de populatiegroei van de prooi in plaats van dat schaarse middelen de populatiegroei van de prooi beperken. Nadat de prooipopulatie is afgenomen, neemt ook de roofdierpopulatie af; de prooipopulatie groeit dan exponentieel totdat de roofdierpopulatie terugkaatst. In deze modellen fungeren ziekten en parasieten als roofdieren omdat ze het sterftecijfer van de prooi verhogen.