Модель экосистемы

Типичное математическое представление экологической системы Структурная схема открытого океана планктон модель экосистемы из Fasham, Ducklow McKelvie (1990).

Модель экосистемы - это абстрактное, обычно математическое, представление экологическая система (от отдельной популяции до экологического сообщества или даже всего биома ), которая изучается чтобы лучше понять реальную систему.

Использование данных, собранных с поля, экологических взаимосвязей, таких как отношение солнечного света и доступности воды к скорости фотосинтеза или отношения между хищником и популяции жертв - выводятся, и они объединяются для формирования моделей экосистемы. 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 выполнен за считанные минуты в компьютерной модели).

Модели экосистем находят применение в широкий спектр дисциплин, таких как управление природными ресурсами, экотоксикология и гигиена окружающей среды, сельское хозяйство и охрана дикой природы. Экологическое моделирование даже применялось в археологии с разной степенью успеха, например, в сочетании с археологическими моделями для объяснения разнообразия и мобильности каменных орудий.

• 1 Типы моделей
• 2 Дизайн модели
• 3 Проверка
• 4 Примеры
  • 4.1 Уравнения Лотки – Вольтерра
  • 4.2 Другое
• 5 См. Также
• 6 Ссылки
• 7 Дополнительная литература
• 8 Внешние ссылки

Существует два основных типа экологических моделей, которые обычно применяются к разным типам задач: (1) аналитические модели и (2) моделирование / 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 реалистичными с экологической точки зрения, в то время как аналитические модели ценятся за их математическую элегантность и объяснительную силу. Ecopath - мощная программная система, которая использует методы моделирования и вычисления для моделирования морские экосистемы. Он широко используется морскими учеными и учеными-рыболовами в качестве инструмента для моделирования и визуализации сложных взаимосвязей, существующих в реальных морских экосистемах.

Схема модели Силвер-Спрингс (Odum, 1971). Обратите внимание на объединение в функциональные группы, такие как «травоядные животные» или «разлагатели».

Процесс разработки модели начинается с определения решаемой проблемы и целей модели.

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 этой сложности, модели экосистемы обычно упрощают системы, которые они изучают, до ограниченного числа компонентов, которые хорошо изучены и считаются относящимися к проблеме, для решения которой предназначена модель..

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

После определения компонентов для моделирования и взаимосвязей между ними возникает еще один важный момент. 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. Пространственная модель - это модель, которая имеет одну или несколько переменных состояния, которые являются функцией пространства или могут быть связаны с другими пространственными переменными.

После построения модели проверяются, чтобы гарантировать, что результаты достаточно точны или реалистичны. 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.

Уравнения Лотки – Вольтерра

Образец временной ряд модели Лотка-Вольтерра. Обратите внимание, что две популяции демонстрируют циклическое поведение и цикл хищников отстает от цикла добычи.

Одной из самых ранних и наиболее известных экологических моделей является хищник- prey модель Альфреда Дж. Лотка (1925) и Вито Вольтерра (1926). Эта модель принимает форму пары обыкновенных дифференциальных уравнений, одно представляет добычу вид, другое - хищника.

$d\; X\; d\; t\; =\; \alpha .\; Х\; -\; \beta .\; ИКС.\; Y\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{dX\}\; \{dt\}\}\; =\; \backslash \; alpha.X-\; \backslash \; beta.X.Y\}$

$d\; Y\; d\; t\; =\; \gamma .\; \beta .\; ИКС.\; Y\; -\; \delta .\; Y\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{dY\}\; \{dt\}\}\; =\; \backslash \; gamma.\; \backslash \; Beta.XY-\; \backslash \; delta.Y\}$

где,

$X\; \{\backslash \; displaystyle\; X\}$- это количество / концентрация видов-жертв; $Y\; \{\backslash \; displaystyle\; Y\}$- количество / концентрация видов хищников; $\alpha \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; alpha\}$- скорость роста вида-жертвы;

$\beta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; beta\}$- скорость хищничества $Y\; \{\backslash \; displaystyle\; Y\}$при $X\; \{\backslash \; displaystyle\; X\}$; $\gamma \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; gamma\}$- эффективность ассимиляции для $Y\; \{\backslash \; displaystyle\; Y\}$; $\delta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; delta\}$- коэффициент смертности хищников

Вольтерра изначально разработал модель для объяснения колебаний популяций рыб и акул, наблюдаемых в Адриатическом море после Первой мировой войны (когда рыболовство было свернуто). Однако впоследствии уравнения стали применяться более широко. Несмотря на простоту, они иллюстрируют некоторые характерные особенности экологических моделей: смоделированные биологические популяции испытывают рост, взаимодействуют с другими популяциями (как хищники, жертвы или конкуренты ) и страдают смертностью.

Надежной и простой альтернативой модели хищник-жертва Лотки-Вольтерры и ее обобщениям, зависящим от общей жертвы, является зависимая от отношения или модель Ардити-Гинзбурга. Это две крайние точки спектра моделей вмешательства 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 намного ближе к зависимому от отношения экстремуму, поэтому, если требуется простая модель, можно использовать модель Ардити-Гинзбурга в качестве первого приближения.

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 предшествующие наблюдения за сложными экосистемами, Уланович описывает подходы к определению уровней стресса в экосистемах и прогнозированию реакции системы на определенные типы изменений в их условиях (например, увеличение или уменьшение потока энергии и эвтрофикация.

«Игра жизни» Конвея и ее вариации моделируют экосистемы, где близость членов популяции являются факторами роста населения.

• Экологический портал
• Экологический портал
• Портал наук о Земле

• Хан, М.Ф.; Прита, П.; Шарма, А.П. (2015). «Моделирование пищевой сети для оценки воздействия пищевых добавок. в экосистеме водохранилища в Индии ". Управление рыболовством и экология. 22 (5): 359–370. doi : 10.1111 / fme.12134.
• Panikkar, Preetha ; Хан, М. Фероз; Десаи, В.Р.; Шривастава, Н.П.; Шарма, А.П. (2014). «Характеризуя трофические взаимодействия сома с преобладанием тропических растений. экосистема водохранилища для оценки воздействия методов управления ». Экологическая биология рыб. 98 : 237–247. doi : 10.1007 / s10641-014-0255-6.
• 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.

• Ресурсы по экологическому моделированию (ecobas.org)
• Модели оценки воздействия США Агентство по охране окружающей среды
• Ecotoxicology Models (ecotoxmodels.org)