Stosunki liczbowe w populacji uwarunkowane są przez liczebność i zagęszczenie osobników.
Liczebność to liczba osobników w populacji. Uwarunkowana jest czynnikami środowiska, biologią gatunku i zajmowanym poziomem troficznym. Metody oceny liczebności zależą od rozmiarów i aktywności osobników oraz stopnia trudności dokonywanych obserwacji.
Liczebność populacji może ulegać zmianom w czasie, na co ma wpływ rozrodczość, śmiertelność, migracje, a także zasobność pokarmowa środowiska, wpływ populacji innych gatunków oraz warunki środowiskowe. Przebieg zmian liczebności w populacji uzależniony jest zatem zarówno od czynników wewnątrzpopulacyjnych, jak i zewnętrznych: środowiskowych i biocenotycznych. Spośród wymienionych czynników, czynniki biotyczne, jak np. rozrodczość, śmiertelność, konkurencja wewnątrzgatunkowa oraz zewnątrzgatunkowa, pasożytnictwo i drapieżnictwo, zależą od zagęszczenia. Z kolei na przykład czynniki klimatyczne są od zagęszczenia niezależne.
Zagęszczenie jest liczbą osobników danego gatunku, jaka przypada na jednostkę powierzchni lub objętości. Zależy od wielkości badanych organizmów, dostępności źródeł energii (np. świetlnej dla fotoautotrofów lub zasobów pokarmu dla heterotrofów) oraz poziomu troficznego (np. drapieżniki cechuje najmniejsze zagęszczenie). Regulacja zagęszczenia w populacji stanowi jej ochronę przed ujemnymi skutkami przegęszczenia.
Rozrodczość warunkuje wzrost ilościowy populacji. Rozmnażanie się organizmów może zachodzić według dwóch typów strategii: strategii typu r oraz strategii typu K. Cechą strategii typu r jest wydawanie dużej liczby potomstwa, wśród którego panuje duża śmiertelność, uwarunkowana brakiem opieki ze strony rodziców. W strategii typu K liczba wydawanego potomstwa jest niewielka, ale opieka nad nim sprawia, iż znaczna część osiąga wiek dojrzały.
Obserwowana w przyrodzie rozrodczość, zwana rozrodczością rzeczywistą (ekologiczną), stanowi różnicę między rozrodczością maksymalną, jaka występowałaby teoretycznie w optymalnych warunkach środowiska, a oporem środowiska, który stanowią wszystkie czynniki abiotyczne i biotyczne, uniemożliwiające populacji osiągnięcie maksymalnej liczebności.
Śmiertelność powoduje zmniejszenie liczebności populacji. Występująca w przyrodzie śmiertelność rzeczywista (ekologiczna) stanowi różnicę między śmiertelnością minimalną, jaka występowałaby w optymalnych dla rozwoju populacji warunkach, a oporem środowiska.
Opór środowiska spowodowany jest przez przyczyny:
– osobnicze – czynniki natury fizjologicznej i genetycznej;
– populacyjne – wynik oddziaływań między osobnikami w obrębie populacji, np. konkurencja wewnątrzgatunkowa;
– biocenotyczne – oddziaływania antagonistyczne między populacjami;
– środowiskowe – ograniczenie lub brak pokarmu, albo skutek działania czynników o skrajnych wartościach krytycznych.
Wielkość śmiertelności w różnym wieku obrazują tzw. krzywe przeżywania:
– Krzywa wypukła cechuje organizmy duże, opiekujące się potomstwem, które w małym stopniu podlegają selekcji (strategia rozrodcza typu K).
– Krzywa wklęsła jest typowa dla organizmów, u których brak jest opieki nad potomstwem (strategia rozrodcza typu r).
– Krzywa jednostajnie nachylona obrazuje sytuację teoretyczną, w której tempo wymierania osobników w populacji jest stałe, niezależne od wieku.
Krzywe przeżywania
Istnieją też inne typy krzywych przeżywania o charakterze pośrednim, których kształt odpowiada różnym sytuacjom fizjologicznym i ekologicznym w badanych populacjach.
Zmianę liczebności populacji przedstawia przyrost naturalny, który stanowi różnicę między przyrostem liczebności populacji uwarunkowanym rozrodczością oraz imigracją a spadkiem liczebności spowodowanym przez śmiertelność i emigrację. Populacje naturalne dążą do osiągnięcia optymalnej dla nich liczebności.
Regulacja liczebności może zachodzić poprzez czynniki zewnętrzne (brak pokarmu, obecność drapieżników, pasożytów lub patogenów), albo w regulacji liczebności może uczestniczyć sama populacja. Samoregulacja odbywa się poprzez procesy wewnątrz populacyjne, które mogą wpływać na mechanizmy zewnętrzne – biocenotyczne. Gdy liczebność przekroczy określony poziom i zwiększy się zagęszczenie, może dojść do migracji części osobników, ponadto na skutek konkurencji wewnątrzgatunkowej następuje osłabienie niektórych osobników, które są łatwo eliminowane, np. przez drapieżniki. Przy nadmiernej liczebności następuje też ograniczenie rozrodczości. Z kolei wyczerpanie zasobów środowiska (np. pokarmu) zwiększa śmiertelność.
Wzrost liczebności populacji naturalnej, która rozwija się od małej grupy osobników, charakteryzuje kilka faz. W fazie wzrostu wykładniczego, po początkowym okresie powolnego zwiększania się liczebności, następuje gwałtowny jej wzrost. Zostaje on następnie zahamowany przez opór środowiska, co powoduje, że liczebność nie przekracza granicy wyznaczonej przez maksymalną pojemność środowiska (maksymalną liczbę osobników w populacji, która może utrzymać się przy życiu w danych warunkach środowiska). Tę fazę rozwoju populacji cechują ciągłe, oscylujące wahania liczebności. Jest to faza równowagi. W sytuacji ograniczenia oporu środowiska wzrost populacji staje się gwałtowny, co w konsekwencji może prowadzić do szybkiego wyczerpania się zasobów środowiska, a następnie do gwałtownego spadku liczebności populacji – faza spadku liczebności. Taki nieograniczony wzrost liczebności obserwuje się w populacji ludzkiej od połowy XVIII wieku (eksplozja demograficzna).
Krzywe wzrostu populacji
Krzywa logarytmiczna obrazuje tempo wzrostu populacji naturalnej zasiedlającej nowy teren, w którym panują korzystne dla niej warunki rozwoju. Natomiast krzywa wykładnicza jest obrazem populacji, w której liczba osobników rośnie w postępie geometrycznym, przy czym wzrost ten odbywa się w nieskończoność, nieograniczany przez opór środowiska.