stringtranslate.com

Модель экосистемы

Структурная диаграмма модели планктонной экосистемы открытого океана, разработанная Фашамом , Даклоу и МакКелви (1990). [1]

Модель экосистемы — это абстрактное , обычно математическое представление экологической системы (масштаб от отдельной популяции до экологического сообщества или даже целого биома ), которое изучается для лучшего понимания реальной системы. [2]

Используя данные, собранные в полевых условиях, выводятся экологические взаимосвязи, такие как связь солнечного света и доступности воды со скоростью фотосинтеза или между популяциями хищников и жертв , и они объединяются для формирования моделей экосистемы . Эти модельные системы затем изучаются, чтобы сделать прогнозы о динамике реальной системы. Часто изучение неточностей в модели (по сравнению с эмпирическими наблюдениями) приводит к генерации гипотез о возможных экологических отношениях, которые еще не известны или не совсем понятны. Модели позволяют исследователям моделировать крупномасштабные эксперименты, проведение которых в реальной экосистеме было бы слишком дорогостоящим или неэтичным. Они также позволяют моделировать экологические процессы в течение очень длительных периодов времени (т.е. моделирование процесса, который в реальности занимает столетия, можно выполнить за считанные минуты в компьютерной модели). [3]

Модели экосистем находят применение в самых разных дисциплинах, таких как управление природными ресурсами , [4] экотоксикология и здоровье окружающей среды , [5] [6] сельское хозяйство , [7] и охрана дикой природы . [8] Экологическое моделирование даже применялось в археологии с разной степенью успеха, например, в сочетании с археологическими моделями для объяснения разнообразия и мобильности каменных орудий. [9]

Типы моделей

Существует два основных типа экологических моделей, которые обычно применяются к различным типам задач: (1) аналитические модели и (2) имитационные / вычислительные модели. Аналитические модели обычно представляют собой относительно простые (часто линейные) системы, которые можно точно описать набором математических уравнений, поведение которых хорошо известно. С другой стороны, имитационные модели используют численные методы для решения проблем, для которых аналитические решения непрактичны или невозможны. Имитационные модели, как правило, используются более широко и обычно считаются более экологически реалистичными, тогда как аналитические модели ценятся за их математическую элегантность и объяснительную силу. [10] [11] [12] Ecopath — это мощная программная система, которая использует методы моделирования и вычислений для моделирования морских экосистем . Он широко используется учеными, занимающимися морским и рыбным хозяйством, в качестве инструмента для моделирования и визуализации сложных взаимосвязей, существующих в реальных морских экосистемах. [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]

Дизайн модели

Схема модели Силвер-Спрингс (Одум, 1971 г.). Обратите внимание на объединение в функциональные группы, такие как «травоядные» или «разлагатели». [20]

Процесс проектирования модели начинается с определения проблемы, которую необходимо решить, и целей модели. [21]

Экологические системы состоят из огромного количества биотических и абиотических факторов, которые взаимодействуют друг с другом часто непредсказуемыми или настолько сложными способами, что их невозможно включить в вычислимую модель. Из-за этой сложности модели экосистем обычно упрощают изучаемые системы до ограниченного числа компонентов, которые хорошо понятны и считаются соответствующими проблеме, которую модель призвана решить. [22] [23]

Процесс упрощения обычно сводит экосистему к небольшому количеству переменных состояния и математических функций , которые описывают природу отношений между ними. [24] Количество компонентов экосистемы, включенных в модель, ограничивается путем объединения аналогичных процессов и объектов в функциональные группы, которые рассматриваются как единое целое. [25] [26]

После определения компонентов, подлежащих моделированию, и связей между ними, еще одним важным фактором в структуре модели экосистемы является представление используемого пространства . Исторически сложилось так, что модели часто игнорировали запутанную проблему пространства. Однако для многих экологических проблем пространственная динамика является важной частью проблемы, при этом различные пространственные среды приводят к совершенно разным результатам. Пространственно явные модели (также называемые «пространственно распределенными» или «ландшафтными» моделями) пытаются включить в модель неоднородную пространственную среду. [27] [28] [29] Пространственная модель — это модель, которая имеет одну или несколько переменных состояния, которые являются функцией пространства или могут быть связаны с другими пространственными переменными. [30]

Проверка

После построения модели проверяются , чтобы гарантировать приемлемость точности и реалистичности результатов. Один из методов — протестировать модель с несколькими наборами данных, которые не зависят от реальной изучаемой системы. Это важно, поскольку определенные входные данные могут привести к тому, что ошибочная модель выдаст правильные результаты. Другой метод проверки — сравнение результатов модели с данными, собранными в ходе полевых наблюдений. Исследователи часто заранее уточняют, какую разницу они готовы принять между параметрами, выдаваемыми моделью, и параметрами, рассчитанными на основе полевых данных. [31] [32] [33] [34] [35]

Примеры

Уравнения Лотки–Вольтерра.

Пример временного ряда модели Лотки-Вольтерры . Обратите внимание, что обе популяции демонстрируют циклическое поведение и что цикл хищника отстает от цикла добычи.

Одной из самых ранних, [36] и наиболее известных экологических моделей является модель хищник-жертва Альфреда Дж. Лотки (1925) [37] и Вито Вольтерра (1926). [38] Эта модель принимает форму пары обыкновенных дифференциальных уравнений , одно из которых представляет вид добычи , а другое — хищника.

где,

Первоначально Вольтерра разработал модель, чтобы объяснить колебания популяций рыб и акул , наблюдавшиеся в Адриатическом море после Первой мировой войны (когда промысел был сокращен). Однако впоследствии уравнения стали применяться в более широком смысле. [39] Несмотря на простоту, они иллюстрируют некоторые существенные особенности экологических моделей: смоделированные биологические популяции растут , взаимодействуют с другими популяциями (как хищники, жертвы или конкуренты ) и страдают от смертности . [ нужна цитата ]

Надежной и простой альтернативой модели «хищник-жертва» Лотки-Вольтерры и ее общим обобщениям, зависящим от добычи, является модель, зависящая от соотношения, или модель Ардити-Гинзбурга . [40] Эти две модели представляют собой крайности спектра моделей вмешательства хищников. По мнению авторов альтернативной точки зрения, данные показывают, что истинные взаимодействия в природе настолько далеки от крайностей Лотки-Вольтерры в интерференционном спектре, что модель можно просто отбросить как неверную. Они намного ближе к экстремуму, зависящему от соотношения, поэтому, если нужна простая модель, можно использовать модель Ардити-Гинзбурга в качестве первого приближения. [41]

Другие

Эколог -теоретик Роберт Уланович использовал инструменты теории информации для описания структуры экосистем, подчеркивая взаимную информацию (корреляции) в изучаемых системах. Опираясь на эту методологию и предыдущие наблюдения за сложными экосистемами, Уланович описывает подходы к определению уровней стресса в экосистемах и прогнозированию реакций системы на определенные типы изменений в их условиях (таких как увеличение или уменьшение потока энергии и эвтрофикация) . [42]

«Игра жизни» Конвея и ее вариации моделируют экосистемы, в которых близость членов популяции является фактором роста населения.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Фашам, MJR; Даклоу, HW; МакКелви, С.М. (1990). «Азотная модель динамики планктона в смешанном слое океана». Журнал морских исследований . 48 (3): 591–639. дои : 10.1357/002224090784984678.
  2. ^ Холл, Чарльз А.С. и Дэй, Джон В. (1990). Моделирование экосистем в теории и практике: введение с практическими примерами . Университетское издательство Колорадо. стр. 7–8. ISBN 978-0-87081-216-3.
  3. ^ Hall & Day, 1990: стр. 13-14.
  4. ^ Дейл, Вирджиния Х. (2003). «Возможности использования экологических моделей для управления ресурсами». Экологическое моделирование для управления ресурсами . стр. 3–19. дои : 10.1007/0-387-21563-8_1. ISBN 978-0-387-95493-6.
  5. ^ Пасторок, Роберт А. (2002). "Введение". Экологическое моделирование в оценке риска: химическое воздействие на население, экосистемы и ландшафты. ЦРК Пресс. п. 7. ISBN 978-1-56670-574-5.
  6. ^ Форбс, Валерий Э. (2009). «Роль экологического моделирования в оценке рисков с точки зрения академика». В Торбеке, Пернилле (ред.). Экологические модели для оценки нормативного риска пестицидов: разработка стратегии на будущее . ЦРК Пресс. п. 89. ИСБН 978-1-4398-0511-4.
  7. ^ Палладино, Паоло (1996). «Экологическое моделирование и комплексная борьба с вредителями». Энтомология, экология и сельское хозяйство: научная карьера в Северной Америке, 1885–1985 гг . Психология Пресс. п. 153. ИСБН 978-3-7186-5907-4.
  8. ^ Миллспо, Джошуа Дж.; и другие. (2008). «Общие принципы разработки ландшафтных моделей для охраны дикой природы». Модели планирования сохранения дикой природы на больших ландшафтах . Академическая пресса. п. 1. ISBN 978-0-12-373631-4.
  9. ^ Марвик, Бен (2013). «Множественные Оптимы в палеоэкономике и палеоэкологии хобинских чешуйчатых каменных артефактов на двух археологических памятниках на северо-западе Таиланда». Журнал антропологической археологии . 32 (4): 553–564. дои : 10.1016/j.jaa.2013.08.004 .
  10. ^ Йоргенсен, Свен Эрик (1996). Справочник по экологическому и экологическому моделированию. ЦРК Пресс. стр. 403–404. ISBN 978-1-56670-202-7.
  11. ^ Грант, Уильям Эдвард и Суоннак, Тодд М. (2008). Экологическое моделирование: здравый подход к теории и практике. Джон Уайли и сыновья. п. 74. ИСБН 978-1-4051-6168-8.
  12. ^ Холл и Дэй, 1990, стр. 9
  13. ^ Поли, Д. (2000). «Ecopath, Ecosim и Ecospace как инструменты для оценки воздействия рыболовства на экосистему». Журнал морских наук ICES . 57 (3): 697–706. дои : 10.1006/jmsc.2000.0726 .
  14. ^ Кристенсен, Вилли; Уолтерс, Карл Дж. (2004). «Экопат с Ecosim: методы, возможности и ограничения». Экологическое моделирование . 172 (2–4): 109–139. doi :10.1016/j.ecolmodel.2003.09.003.
  15. ^ Кристенсен V (2009) «Будущее Ecopath» [ постоянная мертвая ссылка ] В: Паломарес, MLD, Мориссетт Л, Сиснерос-Монтемайор А, Варки Д, Колл М, Пиродди С (редакторы), Материалы конференции Ecopath 25 лет: расширенные Тезисы , Отчеты об исследованиях Центра рыболовства 17 (3): 159–160. Университет Британской Колумбии.
  16. ^ Хан, МФ; Прита, П.; Шарма, AP (2015). «Моделирование пищевой сети для оценки воздействия добавок на водоемную экосистему в Индии». Управление рыболовством и экология . 22 (5): 359–370. дои : 10.1111/fme.12134.
  17. ^ Паниккар, Прита; Хан, М. Фероз; Десаи, VR; Шривастава, Н.П.; Шарма, AP (2014). «Характеристика трофических взаимодействий в экосистеме тропических водоемов, в которой доминируют сомы, для оценки последствий методов управления». Экологическая биология рыб . 98 : 237–247. дои : 10.1007/s10641-014-0255-6. S2CID  16992082.
  18. ^ Паниккар, Прита; Хан, М. Фероз (2008). «Сравнительные массово-сбалансированные трофические модели для оценки воздействия мер по управлению окружающей средой в экосистеме тропического водоема». Экологическое моделирование . 212 (3–4): 280–291. doi :10.1016/j.ecolmodel.2007.10.029.
  19. ^ Фероз Хан, М.; Паниккар, Прита (2009). «Оценка воздействия инвазивных рыб на структуру пищевой сети и свойства экосистемы тропического водоема в Индии». Экологическое моделирование . 220 (18): 2281–2290. doi : 10.1016/j.ecolmodel.2009.05.020.
  20. ^ Одум, HT (1971). Окружающая среда, власть и общество. Wiley-Interscience Нью-Йорк, штат Нью-Йорк
  21. ^ Соэтарт, Карлайн и Герман, Питер MJ (2009). Практическое руководство по экологическому моделированию: использование R в качестве платформы для моделирования. Спрингер. п. 11. ISBN 978-1-4020-8623-6.
  22. ^ Гиллман, Майкл и Хейлс, Розмари (1997). Введение в экологическое моделирование: превращение практики в теорию. Уайли-Блэквелл. п. 4. ISBN 978-0-632-03634-9.
  23. ^ Мюллер, Феликс; и другие. (2011). «Каковы общие условия, при которых можно применять экологические модели». В Джоппе, Фред; и другие. (ред.). Моделирование сложной экологической динамики . Спрингер. стр. 13–14. ISBN 978-3-642-05028-2.
  24. ^ Hall & Day, 1990: стр. 21
  25. ^ Hall & Day, 1990: стр. 19
  26. ^ Бушке, Фалько Т.; Моряк, Мейтленд Т. (2011). «Функциональные группы питания как таксономический заменитель совокупности пастбищных членистоногих». Африканские беспозвоночные . 52 : 217–228. дои : 10.5733/afin.052.0112 .
  27. ^ МакКаллум, Хэмиш (2000). «Пространственные параметры». Параметры популяции: оценка для экологических моделей . Уайли-Блэквелл. п. 184. ИСБН 978-0-86542-740-2.
  28. ^ Тенхунен, Джон Д.; и др., ред. (2001). Экосистемные подходы к управлению ландшафтом в Центральной Европе. Спрингер. стр. 586–587. ISBN 978-3-540-67267-8.
  29. ^ Болл, Джордж Л. (1999). «Экологическое моделирование». Энциклопедия экологических наук . Спрингер. п. 154. ИСБН 978-0-412-74050-3.
  30. ^ Склар, Фред Х. и Хансакер, Кэролайн Т. (2001). «Использование и неопределенности пространственных данных для ландшафтных моделей: обзор с примерами из Эверглейдс Флориды». В Хансакере, Кэролайн Т. (ред.). Пространственная неопределенность в экологии: последствия для дистанционного зондирования и ГИС-приложений . Спрингер. п. 15. ISBN 978-0-387-95129-4.
  31. ^ Йоргенсен, Свен Эрик и Бендориккио, Г. (2001). Основы экологического моделирования. Профессиональное издательство Персидского залива. п. 79. ИСБН 978-0-08-044028-6.
  32. ^ Пасторок, Роберт А. (2002). "Введение". Экологическое моделирование в оценке риска: химическое воздействие на население, экосистемы и ландшафты. ЦРК Пресс. п. 22. ISBN 978-1-56670-574-5.
  33. ^ Шифли, SR (2008). «Валидация моделей поддержки принятия решений в ландшафтном масштабе, которые прогнозируют динамику растительности и дикой природы». В Миллспо, Джошуа Дж.; Томпсон, Фрэнк Ричард (ред.). Модели планирования сохранения дикой природы на больших ландшафтах . Академическая пресса. п. 419. ИСБН 978-0-12-373631-4.
  34. ^ Воинов, Алексей (2008). Системная наука и моделирование для экологической экономики. Академическая пресса. п. 131. ИСБН 978-0-12-372583-7.
  35. ^ Рейтер, Хауке; и другие. (2011). «Насколько достоверны результаты модели? Предположения, диапазон достоверности и документация». В Джоппе, Фред; и другие. (ред.). Моделирование сложной экологической динамики . Спрингер. п. 325. ИСБН 978-3-642-05028-2.
  36. ^ Более ранние работы Даниэля Бернулли по оспе и перенаселению человечества Томаса Мальтуса предшествовали работам Лотки и Вольтерры, но не носили строго экологического характера.
  37. ^ Лотка, AJ (1925). Элементы физической биологии . Williams & Williams Co., Балтимор, США.
  38. ^ Вольтерра, Вито (1926). «Колебания численности видов, рассматриваемые математически». Природа . 118 (2972): 558–560. Бибкод : 1926Natur.118..558V. дои : 10.1038/118558a0 .
  39. ^ Бегон, М.; Харпер, Дж.Л.; Таунсенд, ЧР (1988). Экология: Индивиды, популяции и сообщества . Blackwell Scientific Publications Inc., Оксфорд, Великобритания.
  40. ^ Ардити, Роджер; Гинзбург, Лев Р. (1989). «Связь в динамике хищник-жертва: соотношение-зависимость». Журнал теоретической биологии . 139 (3): 311–326. Бибкод : 1989JThBi.139..311A. дои : 10.1016/S0022-5193(89)80211-5.
  41. ^ Ардити, Р. и Гинзбург, Л.Р. (2012) Как взаимодействуют виды: изменение стандартного взгляда на трофическую экологию Oxford University Press. ISBN 9780199913831 . 
  42. ^ Уланович, Роберт Э. (1997). Экология, восходящая перспектива. Издательство Колумбийского университета. ISBN 978-0-231-10829-4.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки