النظام الإيكولوجي

نموذج النظام الإيكولوجي هو تمثيل تجريدي، ورياضي عادة، النظام البيئي (يتراوح النطاق بين مجموعة سكانية فردية، إلى مجتمع بيئي، أو حتى إلى إقليم أحيائي كامل)، التي تتم دراستها لفهم النظام الحقيقي بشكل أفضل.

رسم تخطيطي الهيكلي للالمحيطات المفتوحة العوالق نموذج النظام البيئي لل Fasham ، Ducklow وMcKelvie (1990).[1]

باستخدام البيانات التي تم جمعها من الحقل الميداني، يتم اشتقاق العلاقات البيئية - مثل علاقة ضوء الشمس وتوافر المياه بمعدل التمثيل الضوئي، أو العلاقة بين الحيوانات المفترسة والفرائس - ويتم دمجها لتشكيل نماذج النظام البيئي. ثم يتم دراسة هذه الأنظمة النموذجية من أجل عمل تنبؤات حول ديناميكيات النظام الحقيقي. في كثير من الأحيان، ستؤدي دراسة عدم الدقة في النموذج (عند مقارنتها بالملاحظات التجريبية) إلى توليد فرضيات حول العلاقات البيئية المحتملة غير المعروفة أو المفهومة جيدًا حتى الآن. تمكّن النماذج الباحثين من محاكاة تجارب واسعة النطاق قد تكون مكلفة للغاية أو غير أخلاقية لإجراءها على نظام بيئي حقيقي. كما أنها تمكن من محاكاة العمليات البيئية على فترات زمنية طويلة جدًا (أي محاكاة عملية تستغرق قرونًا في الواقع، يمكن إجراؤها في غضون دقائق في نموذج الكمبيوتر).[2] نماذج النظم الإيكولوجية لها تطبيقات في مجموعة متنوعة من التخصصات، مثل إدارة الموارد الطبيعية، [3] السموم البيئية والصحة البيئية، [4] [5] الزراعة، [6] والحفاظ على الحياة البرية.[7] تم تطبيق النمذجة البيئية على علم الآثار بدرجات متفاوتة من النجاح، على سبيل المثال، الدمج مع النماذج الأثرية لشرح تنوع الأدوات الحجرية وتنقلها.[8]

أنواع النماذج

هناك نوعان رئيسيان من النماذج البيئية، والتي يتم تطبيقها بشكل عام على أنواع مختلفة من المشاكل: (1) النماذج التحليلية و (2) نماذج المحاكاة / الحسابية . النماذج التحليلية عادة ما تكون أنظمة بسيطة نسبيًا (غالبًا خطية)، يمكن وصفها بدقة من خلال مجموعة من المعادلات الرياضية التي يكون سلوكها معروفًا جيدًا. من ناحية أخرى، تستخدم نماذج المحاكاة تقنيات عددية لحل المشكلات التي تكون الحلول التحليلية لها غير عملية أو مستحيلة. تميل نماذج المحاكاة إلى أن تكون أكثر استخدامًا، وتعتبر عمومًا أكثر واقعية من الناحية البيئية، بينما يتم تقييم النماذج التحليلية لأناقتها الرياضية وقوتها التفسيرية.[9] [10] [11] Ecopath هو نظام برمجي قوي يستخدم طرق المحاكاة والحاسوب لنمذجة النظم البيئية البحرية. يستخدم على نطاق واسع من قبل علماء البحار ومصايد الأسماك كأداة لنمذجة وتصور العلاقات المعقدة الموجودة في النظم البيئية البحرية في العالم الحقيقي.[12] [13] [14] [15] [16] [17]

تصميم النموذج
رسم تخطيطي لنموذج سيلفر سبرينغز (Odum ، 1971). لاحظ التجميع في مجموعات وظيفية مثل "العواشب" أو "المُحلِّلات".[18]

تبدأ عملية تصميم النموذج عن طريق تحديد المشكلة التي سيتم حلها وأهداف النموذج.[19]

تتكون النظم البيئية من عدد هائل من العوامل الحيوية واللاأحيائية التي تتفاعل مع بعضها البعض بطرق غالبًا ما تكون غير متوقعة، أو معقدة للغاية بحيث يستحيل دمجها في نموذج قابل للحساب. نتيجة هذا التعقيد، تعمل نماذج النظام البيئي عادةً على تبسيط الأنظمة التي يدرسونها إلى عدد محدود من المكونات المفهومة جيدًا، والتي تعتبر ذات صلة بالمشكلة التي يهدف النموذج إلى حلها.[20] [21]

عادةً ما تقلل عملية التبسيط النظام البيئي إلى عدد صغير من متغيرات الحالة والوظائف الرياضية التي تصف طبيعة العلاقات بينهما.[22] عدد مكونات النظام البيئي التي تم دمجها في النموذج محدود من خلال تجميع العمليات والكيانات المتشابهة في مجموعات وظيفية يتم التعامل معها كوحدة.[23] [24]

بعد إنشاء المكونات التي سيتم اتخاذها كنموذج والعلاقات بينها، هناك عامل مهم آخر في بنية نموذج النظام الإيكولوجي وهو تمثيل المساحة المستخدمة. تاريخيًا، تجاهلت النماذج غالبًا قضية الفضاء المربكة. ومع ذلك، بالنسبة للعديد من المشكلات البيئية، تعد الديناميكيات المكانية جزءًا مهمًا من المشكلة، حيث تؤدي البيئات المكانية المختلفة إلى نتائج مختلفة جدًا. تحاول النماذج الواضحة مكانيًا (تدعى أيضًا نماذج «التوزيع المكاني» أو نماذج «المناظر الطبيعية») دمج بيئة مكانية غير متجانسة في النموذج.[25] [26] [27] النموذج المكاني هو النموذج الذي يحتوي على واحد أو أكثر من متغيرات الحالة التي هي دالة للفضاء، أو يمكن أن تكون مرتبطة بمتغيرات مكانية أخرى.[28]

التحقق من الصحة

بعد البناء، يتم التحقق من صحة النماذج للتأكد من أن النتائج دقيقة أو واقعية بشكل مقبول. إحدى الطرق هي اختبار النموذج بمجموعات متعددة من البيانات المستقلة عن النظام الفعلي قيد الدراسة. هذا مهم للغاية لأن بعض المدخلات يمكن أن تسبب نموذجًا خاطئًا لإخراج النتائج الصحيحة. هناك طريقة أخرى للتحقق من صحة النتائج وهي مقارنة مخرجات النموذج مع البيانات التي تم جمعها من خلال الملاحظات الميدانية. كثيرًا ما يحدد الباحثون مسبقًا مقدار التباين الذي يرغبون في قبوله بين ناتج المعلومات عن طريق نموذج وتلك المحسوبة من البيانات الميدانية.[29] [30] [31] [32] [33]

أمثلة

معادلات لوتكا وفولتيرا
عينة من السلاسل الزمنية لنموذج Lotka-Volterra . لاحظ أن المجموعتين تظهران سلوكًا دوريًا ، وأن دورة المفترس تتخلف عن دورة الفريسة.

أحد أقدم النماذج البيئية [34] والأكثر شهرة.[35] نموذج المفترس والفريسة لألفريد جيه لوتكا (1925) [36] وفيتو فولتيرا (1926) أيأخذ هذا النموذج شكل زوج من المعادلات التفاضلية العادية، أحدهما يمثل نوعًا من الفريسة، والآخر يمثل المفترس.

أين،

شركة فولتيرا ابتكرت نموذج لشرح التقلبات في أعداد الأسماك وأسماك القرش التي تم رصدها في البحر الأدرياتيكي بعد الحرب العالمية الأولى (عندما تم تقليص الصيد).على الرغم من ذلك، تم تطبيق المعادلات لاحقًا بشكل عام.[37] مع بساطتها، إلا أنها توضح بعض الصفات الظاهرة للنماذج البيئية: تشهد المجموعات البيولوجية النموذجية نموًا كما تتفاعل مع مجموعات سكانية أخرى (إما كحيوانات مفترسة أو فريسة أو منافسة) وتعاني من الوفيات. 

إن البديل المعقول والبسيط لنموذج Lotka-Volterra المفترس والفريسة والتعميمات المعتمدة على الفريسة الشائعة هو النموذج المعتمد على النسبة أو نموذج Arditi-Ginzburg.[38] وهما يمثلان أقصى درجات نطاق نماذج التداخل المفترس. وفقًا لمؤلفي وجهة النظر البديلة، تُظهر البيانات أن التفاعلات الحقيقية في الطبيعة بعيدة جدًا عن نموذج لوتكا فولتيرا على نطاق التداخل بحيث يمكن ببساطة استبعاد النموذج على أنه خطأ. إنها أقرب بكثير إلى الطرف المعتمد على النسبة، لذلك إذا كانت هناك حاجة إلى نموذج بسيط، فيمكن استخدام نموذج Arditi-Ginzburg كأول تقدير تقريبي.[39]

أخرى

استخدم عالم البيئة النظري روبرت أولانوفيتش أدوات نظرية المعلومة لوصف بنية النظم البيئية، مع التأكيد على المعلومات المتبادلة (الإرتبطات) في دراسة الأنظمة. بالاعتماد على هذه المنهجية والملاحظات السابقة للنظم البيئية المعقدة، يصور يولانزو مناهج لتحديد مستويات الضغط على النظم البيئية والتنبؤ بردود فعل النظام لأنواع محددة من التغيير في بيئاتها (مثل زيادة أو انخفاض تدفق الطاقة، والتغذية.[40]

لعبة الحياة في كونواي تنويعات هذا النظام البيئي هي التي تمثل قربه لأعضاء إن الجماعة الأحيائية هي  في النمو السكاني

المراجع
  1. Fasham, M. J. R.؛ Ducklow, H. W.؛ McKelvie, S. M. (1990)، "A nitrogen-based model of plankton dynamics in the oceanic mixed layer"، Journal of Marine Research، 48 (3): 591–639، doi:10.1357/002224090784984678.
  2. Hall & Day, 1990: pp. 13-14
  3. Dale, Virginia H. (2003)، "Opportunities for Using Ecological Models for Resource Management"، Ecological Modeling for Resource Management، ص. 3–19، doi:10.1007/0-387-21563-8_1، ISBN 978-0-387-95493-6.
  4. Pastorok, Robert A. (2002)، "Introduction"، Ecological modeling in risk assessment: chemical effects on populations, ecosystems, and landscapes، CRC Press، ص. 7، ISBN 978-1-56670-574-5، مؤرشف من الأصل في 7 أبريل 2022.
  5. Forbes, Valery E. (2009)، "The Role of Ecological Modeling in Risk Assessments Seen From an Academic's Point of View"، في Thorbek, Pernille (المحرر)، Ecological Models for Regulatory Risk Assessments of Pesticides: Developing a Strategy for the Future، CRC Press، ص. 89، ISBN 978-1-4398-0511-4.
  6. Palladino, Paolo (1996)، "Ecological Modeling and Integrated Pest Management"، Entomology, ecology and agriculture: the making of scientific careers in North America, 1885-1985، Psychology Press، ص. 153، ISBN 978-3-7186-5907-4.
  7. Millspaugh, Joshua J.؛ وآخرون (2008)، "General Principles for Developing Landscape Models for Wildlife Conservation"، Models for planning wildlife conservation in large landscapes، Academic Press، ص. 1، ISBN 978-0-12-373631-4.
  8. Marwick, Ben (2013)، "Multiple Optima in Hoabinhian flaked stone artefact palaeoeconomics and palaeoecology at two archaeological sites in Northwest Thailand"، Journal of Anthropological Archaeology، 32 (4): 553–564، doi:10.1016/j.jaa.2013.08.004.
  9. Jørgensen, Sven Erik (1996)، Handbook of environmental and ecological modeling، CRC Press، ص. 403–404، ISBN 978-1-56670-202-7، مؤرشف من الأصل في 23 فبراير 2017.
  10. Grant, William Edward؛ Swannack, Todd M. (2008)، Ecological modeling: a common-sense approach to theory and practice، John Wiley & Sons، ص. 74، ISBN 978-1-4051-6168-8، مؤرشف من الأصل في 24 ديسمبر 2020.
  11. Hall & Day, 1990 p. 9
  12. Pauly, D. (2000)، "Ecopath, Ecosim, and Ecospace as tools for evaluating ecosystem impact of fisheries"، ICES Journal of Marine Science، 57 (3): 697–706، doi:10.1006/jmsc.2000.0726.
  13. Christensen, Villy؛ Walters, Carl J. (2004)، "Ecopath with Ecosim: Methods, capabilities and limitations"، Ecological Modelling، 172 (2–4): 109–139، doi:10.1016/j.ecolmodel.2003.09.003.
  14. Khan, M. F.؛ Preetha, P.؛ Sharma, A. P. (2015)، "Modelling the food web for assessment of the impact of stock supplementation in a reservoir ecosystem in India"، Fisheries Management and Ecology، 22 (5): 359–370، doi:10.1111/fme.12134.
  15. Panikkar, Preetha؛ Khan, M. Feroz؛ Desai, V. R.؛ Shrivastava, N. P.؛ Sharma, A. P. (2014)، "Characterizing trophic interactions of a catfish dominated tropical reservoir ecosystem to assess the effects of management practices"، Environmental Biology of Fishes، 98: 237–247، doi:10.1007/s10641-014-0255-6.
  16. Panikkar, Preetha؛ Khan, M. Feroz (2008)، "Comparative mass-balanced trophic models to assess the impact of environmental management measures in a tropical reservoir ecosystem"، Ecological Modelling، 212 (3–4): 280–291، doi:10.1016/j.ecolmodel.2007.10.029.
  17. Feroz Khan, M.؛ Panikkar, Preetha (2009)، "Assessment of impacts of invasive fishes on the food web structure and ecosystem properties of a tropical reservoir in India"، Ecological Modelling، 220 (18): 2281–2290، doi:10.1016/j.ecolmodel.2009.05.020.
  18. Odum, H.T. (1971). Environment, Power, and Society. Wiley-Interscience New York, N.Y.
  19. Soetaert, Karline؛ Herman, Peter M.J. (2009)، A practical guide to ecological modelling: using R as a simulation platform، Springer، ص. 11، ISBN 978-1-4020-8623-6، مؤرشف من الأصل في 16 سبتمبر 2016.
  20. Gillman, Michael؛ Hails, Rosemary (1997)، An introduction to ecological modelling: putting practice into theory، Wiley-Blackwell، ص. 4، ISBN 978-0-632-03634-9، مؤرشف من الأصل في 24 ديسمبر 2020.
  21. Müller, Felix؛ وآخرون (2011)، "What are the General Conditions Under Which Ecological Models Can Be Applied"، في Jopp, Fred (المحرر)، Modeling Complex Ecological Dynamics، Springer، ص. 13–14، ISBN 978-3-642-05028-2.
  22. Hall & Day, 1990: p. 21
  23. Hall & Day, 1990: p. 19
  24. Buschke, Falko T.؛ Seaman, Maitland T. (2011)، "Functional Feeding Groups as a Taxonomic Surrogate for a Grassland Arthropod Assemblage"، African Invertebrates، 52: 217–228، doi:10.5733/afin.052.0112.
  25. McCallum, Hamish (2000)، "Spatial Parameters"، Population parameters: estimation for ecological models، Wiley-Blackwell، ص. 184، ISBN 978-0-86542-740-2.
  26. Tenhunen, John D., المحرر (2001)، Ecosystem approaches to landscape management in Central Europe، Springer، ص. 586–587، ISBN 978-3-540-67267-8، مؤرشف من الأصل في 8 أكتوبر 2016.
  27. Ball, George L. (1999)، "Ecological modeling"، Encyclopedia of environmental science، Springer، ص. 154، ISBN 978-0-412-74050-3.
  28. Sklar, Fred H.؛ Hunsaker, Carolyn T. (2001)، "The Use and Uncertainties of Spatial Data for Landscape Models: An Overview with Examples from the Florida Everglades"، في Hunsaker, Carolyn T. (المحرر)، Spatial uncertainty in ecology: implications for remote sensing and GIS applications، Springer، ص. 15، ISBN 978-0-387-95129-4.
  29. Jørgensen, Sven Erik؛ Bendoricchio, G. (2001)، Fundamentals of ecological modelling، Gulf Professional Publishing، ص. 79، ISBN 978-0-08-044028-6، مؤرشف من الأصل في 22 يناير 2017.
  30. Pastorok, Robert A. (2002)، "Introduction"، Ecological modeling in risk assessment: chemical effects on populations, ecosystems, and landscapes، CRC Press، ص. 22، ISBN 978-1-56670-574-5، مؤرشف من الأصل في 7 أبريل 2022.
  31. Shifley, S.R. (2008)، "Validation of Landscape-Scale Decision Support Models That Predict Vegetation and Wildlife Dynamics"، في Millspaugh, Joshua J.؛ Thompson, Frank Richard (المحررون)، Models for planning wildlife conservation in large landscapes، Academic Press، ص. 419، ISBN 978-0-12-373631-4.
  32. Voinov, Alexey (2008)، Systems Science and Modeling for Ecological Economics، Academic Press، ص. 131، ISBN 978-0-12-372583-7، مؤرشف من الأصل في 26 مارس 2016.
  33. Reuter, Hauke؛ وآخرون (2011)، "How Valid Are Model Results? Assumptions, Validity Range and Documentation"، في Jopp, Fred (المحرر)، Modeling Complex Ecological Dynamics، Springer، ص. 325، ISBN 978-3-642-05028-2.
  34. Earlier work on جدري by دانييل برنولي and انفجار سكاني by توماس مالتوس predates that of Lotka and Volterra, but is not strictly ecological in nature
  35. Volterra, Vito (1926)، "Fluctuations in the Abundance of a Species considered Mathematically"، Nature، 118 (2972): 558–560، Bibcode:1926Natur.118..558V، doi:10.1038/118558a0.
  36. Lotka, A. J. (1925)، The Elements of Physical Biology، Williams & Williams Co., Baltimore, USA.
  37. Begon, M.؛ Harper, J. L.؛ Townsend, C. R. (1988)، Ecology: Individuals, Populations and Communities، Blackwell Scientific Publications Inc., Oxford, UK.
  38. Arditi, Roger؛ Ginzburg, Lev R. (1989)، "Coupling in predator-prey dynamics: Ratio-Dependence"، Journal of Theoretical Biology، 139 (3): 311–326، doi:10.1016/S0022-5193(89)80211-5.
  39. Arditi, R. and Ginzburg, L.R. (2012) How Species Interact: Altering the Standard View on Trophic Ecology Oxford University Press. (ردمك 9780199913831). نسخة محفوظة 24 ديسمبر 2020 على موقع واي باك مشين.
  40. Ulanowicz, Robert E. (1997)، Ecology, the Ascendent Perspective، Columbia University Press، ISBN 978-0-231-10829-4، مؤرشف من الأصل في 7 فبراير 2017.

قراءة متعمقة
  • Khan, M. F.؛ Preetha, P.؛ Sharma, A. P. (2015)، "Modelling the food web for assessment of the impact of stock supplementation in a reservoir ecosystem in India"، Fisheries Management and Ecology، 22 (5): 359–370، doi:10.1111/fme.12134.
  • Panikkar, Preetha؛ Khan, M. Feroz؛ Desai, V. R.؛ Shrivastava, N. P.؛ Sharma, A. P. (2014)، "Characterizing trophic interactions of a catfish dominated tropical reservoir ecosystem to assess the effects of management practices"، Environmental Biology of Fishes، 98: 237–247، doi:10.1007/s10641-014-0255-6.
  • Panikkar, Preetha؛ Khan, M. Feroz (2008)، "Comparative mass-balanced trophic models to assess the impact of environmental management measures in a tropical reservoir ecosystem"، Ecological Modelling، 212 (3–4): 280–291، doi:10.1016/j.ecolmodel.2007.10.029.
  • Feroz Khan, M.؛ Panikkar, Preetha (2009)، "Assessment of impacts of invasive fishes on the food web structure and ecosystem properties of a tropical reservoir in India"، Ecological Modelling، 220 (18): 2281–2290، doi:10.1016/j.ecolmodel.2009.05.020.

روابط خارجية
  • بوابة طبيعة
  • بوابة علم البيئة
  • بوابة علوم الأرض
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.