Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
«Экологическое моделирование» перенаправляется сюда. Для рецензируемого журнала см. Экологическое моделирование .
Структурная схема модели экосистемы планктона открытого океана, разработанная Fasham , Ducklow & McKelvie (1990). [1]

Модель экосистемы - это абстрактное , обычно математическое , представление экологической системы (в масштабе от отдельной популяции до экологического сообщества или даже всего биома ), которая изучается для лучшего понимания реальной системы. [2]

Используя данные, собранные с поля, выводятся экологические взаимосвязи, такие как отношение солнечного света и доступности воды к скорости фотосинтеза или между популяциями хищников и жертв , и они объединяются, чтобы сформировать экосистему.модели. Затем эти модельные системы 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 хорошо изучены. Модели позволяют исследователям моделировать крупномасштабные эксперименты, выполнение 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 действительности занимает столетия, может быть выполнено за считанные минуты в компьютерной модели). [3]

Экосистемные модели находят применение в самых различных областях, таких как использование природных ресурсов управления, [4] экотоксикологии и гигиене окружающей среды , [5] [6] сельское хозяйство , [7] и сохранения дикой природы . [8] Экологическое моделирование даже применялось к археологии с разной степенью успеха, например, в сочетании с археологическими моделями для объяснения разнообразия и подвижности каменных орудий труда. [9]

Типы моделей [ править ]

Существует два основных типа экологических моделей, которые обычно применяются к разным типам проблем: (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, аналитическое решение которых непрактично или невозможно. Имитационные модели, как правило, используются более широко и обычно считаются более экологически реалистичными, в то время как аналитические модели ценятся за их математическую элегантность и объяснительную способность. [10] [11] [12] Экопатэто мощная программная система, которая использует методы моделирования и вычислений для моделирования морских экосистем . Он широко используется морскими учеными и учеными-рыболовами в качестве инструмента для моделирования и визуализации сложных взаимосвязей, существующих в реальных морских экосистемах. [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]

Дизайн модели [ править ]

Схема модели Silver Springs (Odum, 1971). Обратите внимание на агрегацию в функциональные группы, такие как «травоядные» или «деструкторы». [20]

Процесс проектирования модели начинается с определения решаемой проблемы и целей модели. [21]

Экологические системы состоят из огромного количества биотических и абиотических факторов, которые взаимодействуют друг с другом способами, которые часто непредсказуемы или настолько сложны, что их невозможно включить в вычислимую модель. Из - за эту сложность , экосистемные модели , как правило , упростить системы они обучающиеся для ограниченного числа компонентов, которые хорошо понятны, и считаются отношением к проблеме , что модель предназначена для решения. [22] [23]

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

После определения компонентов, которые будут моделироваться, и взаимосвязей между ними, еще одним важным фактором в структуре модели экосистемы является представление используемого пространства . Исторически сложилось так, что модели часто игнорировали сбивающую с толку проблему пространства. Однако для многих экологических проблем пространственная динамика является важной частью проблемы, поскольку разная пространственная среда приводит к очень 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 [ править ]

После построения модели проверяются, чтобы гарантировать приемлемую точность или реалистичность 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 неверная модель даст правильные результаты. Другой метод проверки - сравнение выходных данных модели с данными, полученными в результате полевых наблюдений. Исследователи часто заранее указывают, какое несоответствие они готовы принять между параметрами, выводимыми моделью, и параметрами, вычисленными на основе полевых данных. [31] [32] [33] [34] [35]

Примеры [ править ]

Уравнения Лотки – Вольтерра [ править ]

Образец временных рядов в модели Лотки-Вольтерра . Обратите внимание, что две популяции демонстрируют циклическое поведение и цикл хищников отстает от цикла добычи.

Одна из самых ранних, [36] и наиболее хорошо известно, экологические модели является хищник-жертва модель Alfred J. Лотки (1925) [37] и Вито Вольтерра (1926). [38] Эта модель принимает форму пары обыкновенных дифференциальных уравнений , из которых представляет добычу видов , другой его хищника.

куда,

  • - количество / концентрация видов добычи;
  • - количество / концентрация видов хищников;
  • - скорость роста жертвы;
  • скорость хищничества на ;
  • это усвоение эффективность ;
  • уровень смертности хищников

Изначально Вольтерра разработал модель для объяснения колебаний численности рыб и акул, наблюдаемых в Адриатическом море после Первой мировой войны (когда рыбный промысел был сокращен). Однако впоследствии уравнения стали применяться более широко. [39] Хотя простой, они иллюстрируют некоторые из характерных особенностей экологических моделей: смоделированный биологических популяции опыта роста , взаимодействует с другими группами населения (или как хищники, добыча или конкуренты ) и страдают смертность . [ необходима цитата ]

Надежной и простой альтернативой модели хищник-жертва Лотки-Вольтерры и ее распространенным обобщениям, зависящим от жертвы, является модель, зависящая от отношения, или модель Ардити-Гинзбурга . [40] Это две крайние точки спектра моделей интерференции хищников. По мнению авторов альтернативной точки зрения, данные показывают, что истинные взаимодействия в природе настолько далеки от экстремума Лотки-Вольтерра на спектре интерференции, что модель можно просто отбросить как неверную. Они гораздо ближе к зависимому от отношения экстремуму, поэтому, если требуется простая модель, можно использовать модель Ардити-Гинзбурга в качестве первого приближения. [41]

Другое [ править ]

Теоретический эколог Роберт Уланоуикс использовал теорию информации инструментов для описания структуры экосистем, подчеркивая взаимную информацию (корреляции) в изученных системах. Опираясь на эту методологию и предыдущие наблюдения за сложными экосистемами, Уланович описывает подходы к определению уровней стресса в экосистемах и прогнозированию реакции 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.

См. Также [ править ]

  • Компартментные модели в эпидемиологии
  • Динамическая глобальная модель растительности
  • Экологическое прогнозирование
  • Гордон Артур Райли
  • Модель поверхности земли (LSM версия 1.0)
  • Закон минимума Либиха
  • Математическая биология
  • Динамика населения
  • Экология населения
  • Правило Рапопорта
  • Научное моделирование
  • Системная динамика

Ссылки [ править ]

  1. ^ Fasham, MJR; Утка, HW; Маккелви, С.М. (1990). «Модель динамики планктона в океаническом смешанном слое на основе азота». Журнал морских исследований . 48 (3): 591–639. DOI : 10.1357 / 002224090784984678 .
  2. ^ Холл, Чарльз А.С. и Дэй, Джон У. (1990). Моделирование экосистем в теории и на практике: введение с историями успеха . Университетское издательство Колорадо. С. 7–8. ISBN 978-0-87081-216-3.
  3. Перейти ↑ Hall & Day, 1990: pp. 13-14
  4. ^ Дейл, Вирджиния Х. (2003). «Возможности использования экологических моделей для управления ресурсами». Экологическое моделирование для управления ресурсами . С. 3–19. DOI : 10.1007 / 0-387-21563-8_1 . ISBN 978-0-387-95493-6.
  5. ^ Пасторок, Роберт А. (2002). «Введение» . Экологическое моделирование при оценке риска: химическое воздействие на популяции, экосистемы и ландшафты . CRC Press. п. 7 . ISBN 978-1-56670-574-5.
  6. ↑ Forbes, Валерий Э. (2009). «Роль экологического моделирования в оценке рисков с академической точки зрения» . In Thorbek, Pernille (ред.). Экологические модели для регуляторной оценки риска пестицидов: разработка стратегии на будущее . CRC Press. п. 89. ISBN 978-1-4398-0511-4.
  7. ^ Палладино, Паоло (1996). «Экологическое моделирование и комплексная борьба с вредителями» . Энтомология, экология и сельское хозяйство: начало научной карьеры в Северной Америке, 1885–1985 . Психология Press. п. 153. ISBN. 978-3-7186-5907-4.
  8. ^ Миллспо, Джошуа Дж .; и другие. (2008). «Общие принципы разработки ландшафтных моделей для сохранения дикой природы» . Модели для планирования охраны дикой природы на больших ландшафтах . Академическая пресса. п. 1. ISBN 978-0-12-373631-4.
  9. ^ Марвик, Бен (2013). «Множественные Оптима в палеоэкономике и палеоэкологии хобинских чешуйчатых каменных артефактов на двух археологических раскопках на северо-западе Таиланда» . Журнал антропологической археологии . 32 (4): 553–564. DOI : 10.1016 / j.jaa.2013.08.004 .
  10. ^ Йоргенсен, Свен Эрик (1996). Справочник по эколого-экологическому моделированию . CRC Press. С. 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 Вили и сыновья. п. 74. ISBN 978-1-4051-6168-8.
  12. Перейти ↑ Hall & Day, 1990 p. 9
  13. Перейти ↑ Pauly, D. (2000). «Ecopath, Ecosim и Ecospace как инструменты для оценки воздействия рыболовства на экосистему» . Журнал ICES по морским наукам . 57 (3): 697–706. DOI : 10,1006 / jmsc.2000.0726 .
  14. ^ Кристенсен, Вилли; Уолтерс, Карл Дж. (2004). «Ecopath с Ecosim: методы, возможности и ограничения». Экологическое моделирование . 172 (2–4): 109–139. DOI : 10.1016 / j.ecolmodel.2003.09.003 .
  15. ↑ Christensen V (2009) «Будущее Ecopath» [ постоянная мертвая ссылка ] В: Palomares, MLD, Morissette L, Cisneros-Montemayor A, Varkey D, Coll M, Piroddi C (Eds), Ecopath 25 Years Conference Proceedings: Extended Тезисы , отчеты об исследованиях Центра рыболовства 17 (3): 159–160. Университет Британской Колумбии.
  16. ^ Хан, MF; Preetha, P .; Шарма, AP (2015). «Моделирование трофической сети для оценки воздействия пополнения запасов в экосистеме водохранилища в Индии». Управление рыболовством и экология . 22 (5): 359–370. DOI : 10.1111 / fme.12134 .
  17. ^ Паниккар, Прита; Хан, М. Фероз; Десаи, ВР; Шривастава, НП; Шарма, AP (2014). «Характеристика трофических взаимодействий экосистемы тропических водоемов с преобладанием сома для оценки воздействия методов управления». Экологическая биология рыб . 98 : 237–247. DOI : 10.1007 / s10641-014-0255-6 . S2CID 16992082 . 
  18. ^ Паниккар, Прита; Хан, М. Фероз (2008). «Сравнительные сбалансированные по массе 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 трофической сети и свойства экосистемы тропического водоема в Индии». Экологическое моделирование . 220 (18): 2281–2290. DOI : 10.1016 / j.ecolmodel.2009.05.020 .
  20. ^ Odum, HT (1971). Окружающая среда, власть и общество. Wiley-Interscience New York, NY
  21. ^ Soetaert, Karline & Herman, Питер MJ (2009). Практическое руководство по экологическому моделированию: использование R в качестве платформы моделирования . Springer. п. 11. ISBN 978-1-4020-8623-6.
  22. ^ Гиллман, Майкл и окрики, Розмари (1997). Введение в экологическое моделирование: практическое применение в теории . Вили-Блэквелл. п. 4. ISBN 978-0-632-03634-9.
  23. ^ Мюллер, Феликс; и другие. (2011). «Каковы общие условия, при которых могут применяться экологические модели» . В Джоппе, Фред; и другие. (ред.). Моделирование сложной экологической динамики . Springer. С. 13–14. ISBN 978-3-642-05028-2.
  24. ↑ Hall & Day, 1990: стр. 21 год
  25. ↑ Hall & Day, 1990: стр. 19
  26. ^ Бушке, Фалько Т .; Моряк, Мейтленд Т. (2011). «Функциональные группы питания как таксономический суррогат для сообщества пастбищных членистоногих» . Африканские беспозвоночные . 52 : 217–228. DOI : 10,5733 / afin.052.0112 .
  27. Перейти ↑ McCallum, Hamish (2000). «Пространственные параметры» . Параметры популяции: оценка для экологических моделей . Вили-Блэквелл. п. 184. ISBN 978-0-86542-740-2.
  28. ^ Тенхунен, Джон Д .; и др., ред. (2001). Экосистемные подходы к управлению ландшафтом в Центральной Европе . Springer. С. 586–587. ISBN 978-3-540-67267-8.
  29. ^ Болл, Джордж Л. (1999). «Экологическое моделирование» . Энциклопедия экологической науки . Springer. п. 154. ISBN 978-0-412-74050-3.
  30. ^ Скляр, Фред Х. & Хансакер, Каролин Т. (2001). "Использование и неопределенности пространственных данных для моделей ландшафта: обзор с примерами из Флоридского Эверглейдс" . В Hunsaker, Кэролайн Т. (ред.). Пространственная неопределенность в экологии: последствия для приложений дистанционного зондирования и ГИС . Springer. п. 15. ISBN 978-0-387-95129-4.
  31. ^ Йоргенсен, Свен Эрик и Bendoricchio, G. (2001). Основы экологического моделирования . Gulf Professional Publishing. п. 79. ISBN 978-0-08-044028-6.
  32. ^ Пасторок, Роберт А. (2002). «Введение» . Экологическое моделирование при оценке риска: химическое воздействие на популяции, экосистемы и ландшафты . CRC Press. п. 22 . ISBN 978-1-56670-574-5.
  33. ^ Shifley, SR (2008). «Валидация моделей поддержки принятия решений в масштабе ландшафта, которые прогнозируют динамику растительности и дикой природы» . В Millspaugh, Джошуа Дж .; Томпсон, Фрэнк Ричард (ред.). Модели для планирования охраны дикой природы на больших ландшафтах . Академическая пресса. п. 419. ISBN 978-0-12-373631-4.
  34. ↑ Воинов, Алексей (2008). Системная наука и моделирование для экологической экономики . Академическая пресса. п. 131. ISBN. 978-0-12-372583-7.
  35. ^ Reuter, Hauke; и другие. (2011). «Насколько достоверны результаты модели? Предположения, диапазон применимости и документация» . В Джоппе, Фред; и другие. (ред.). Моделирование сложной экологической динамики . Springer. п. 325. ISBN 978-3-642-05028-2.
  36. ^ Ранее работа над оспой от Даниила Бернулли и перенаселение по Томаса Мальтуса предшествуетчто из Лотки и Вольтерра, но не строго экологический характер
  37. ^ Лотки, AJ (1925). Элементы физической биологии . Williams & Williams Co., Балтимор, США.
  38. ^ Вольтерра, Вито (1926). «Колебания численности видов с математической точки зрения» . Природа . 118 (2972): 558–560. Bibcode : 1926Natur.118..558V . DOI : 10.1038 / 118558a0 .
  39. ^ Бегон, М .; Харпер, JL; Таунсенд, CR (1988). Экология: отдельные лица, 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. DOI : 10.1016 / S0022-5193 (89) 80211-5 .
  41. ^ Ардити Р. и Гинзбург Л. Р. (2012) Как виды взаимодействуют: изменение стандартного взгляда на трофическую экологию Oxford University Press. ISBN 9780199913831 . 
  42. ^ Ulanowicz, Роберт Э. (1997). Экология, восходящая перспектива . Издательство Колумбийского университета. ISBN 978-0-231-10829-4.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Хан, MF; Preetha, P .; Шарма, AP (2015). «Моделирование трофической сети для оценки воздействия пополнения запасов в экосистеме водохранилища в Индии». Управление рыболовством и экология . 22 (5): 359–370. DOI : 10.1111 / fme.12134 .
  • Паниккар, Прита; Хан, М. Фероз; Десаи, ВР; Шривастава, НП; Шарма, AP (2014). «Характеристика трофических взаимодействий экосистемы тропических водоемов с преобладанием сома для оценки воздействия методов управления». Экологическая биология рыб . 98 : 237–247. DOI : 10.1007 / s10641-014-0255-6 . S2CID  16992082 .
  • Паниккар, Прита; Хан, М. Фероз (2008). «Сравнительные сбалансированные по массе 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 .
  • Фероз Хан, М .; Паниккар, Прита (2009). «Оценка воздействия инвазивных рыб на структуру трофической сети и свойства экосистемы тропического водоема в Индии». Экологическое моделирование . 220 (18): 2281–2290. DOI : 10.1016 / j.ecolmodel.2009.05.020 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Ресурсы по экологическому моделированию (ecobas.org)
  • Модели оценки воздействия Агентство по охране окружающей среды США
  • Экотоксикология и модели (ecotoxmodels.org)