نموذج النظام البيئي

نموذج النظام البيئي هو تمثيل تجريدي ، رياضي عادةً ، لنظام بيئي (يتراوح حجمه من مجموعة سكانية فردية إلى مجتمع بيئي أو حتى منطقة حيوية بأكملها )، والذي تتم دراسته لفهم النظام الحقيقي بشكل أفضل. ^[2]

وباستخدام البيانات التي تم جمعها من الميدان، يتم استخلاص العلاقات البيئية - مثل العلاقة بين ضوء الشمس وتوافر المياه ومعدل التمثيل الضوئي ، أو العلاقة بين مجموعات الحيوانات المفترسة والفرائس - ويتم دمجها لتشكيل نماذج النظام البيئي . ثم تتم دراسة أنظمة النماذج هذه من أجل إجراء تنبؤات حول ديناميكيات النظام الحقيقي. غالبًا ما تؤدي دراسة عدم الدقة في النموذج (عند مقارنته بالملاحظات التجريبية) إلى توليد فرضيات حول العلاقات البيئية المحتملة التي لم تُعرف بعد أو لم يتم فهمها جيدًا. تمكن النماذج الباحثين من محاكاة التجارب واسعة النطاق التي قد تكون مكلفة للغاية أو غير أخلاقية لإجرائها على نظام بيئي حقيقي. كما أنها تمكن من محاكاة العمليات البيئية على مدى فترات طويلة جدًا من الزمن (أي محاكاة عملية تستغرق قرونًا في الواقع، يمكن القيام بها في غضون دقائق في نموذج كمبيوتري). ^[3]

تستخدم نماذج النظم البيئية في مجموعة واسعة من التخصصات، مثل إدارة الموارد الطبيعية ، ^[4] وعلم السموم البيئية والصحة البيئية ، ^{[5] [6]} والزراعة ، ^[7] والحفاظ على الحياة البرية . ^[8] وقد تم تطبيق النمذجة البيئية حتى في علم الآثار بدرجات متفاوتة من النجاح، على سبيل المثال، من خلال الجمع بين النماذج الأثرية لشرح تنوع الأدوات الحجرية وقدرتها على الحركة. ^[9]

هناك نوعان رئيسيان من النماذج البيئية، والتي يتم تطبيقها عمومًا على أنواع مختلفة من المشكلات: (1) النماذج التحليلية و(2) نماذج المحاكاة / الحسابية . النماذج التحليلية هي عادةً أنظمة بسيطة نسبيًا (خطية غالبًا)، ويمكن وصفها بدقة بمجموعة من المعادلات الرياضية التي يُعرف سلوكها جيدًا. من ناحية أخرى، تستخدم نماذج المحاكاة تقنيات عددية لحل المشكلات التي تكون الحلول التحليلية غير عملية أو مستحيلة لها. تميل نماذج المحاكاة إلى الاستخدام على نطاق واسع، وتعتبر عمومًا أكثر واقعية من الناحية البيئية، في حين يتم تقييم النماذج التحليلية لأناقتها الرياضية وقوتها التفسيرية. ^{[10] [11] [12]} Ecopath هو نظام برمجي قوي يستخدم أساليب المحاكاة والحسابية لنمذجة النظم البيئية البحرية . يستخدمه علماء البحار ومصائد الأسماك على نطاق واسع كأداة لنمذجة وتصور العلاقات المعقدة الموجودة في النظم البيئية البحرية في العالم الحقيقي. ^{[13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]}

تبدأ عملية تصميم النموذج بتحديد المشكلة المراد حلها وأهداف النموذج. ^[21]

تتكون الأنظمة البيئية من عدد هائل من العوامل الحيوية وغير الحيوية التي تتفاعل مع بعضها البعض بطرق غالبًا ما تكون غير متوقعة، أو معقدة للغاية بحيث يستحيل دمجها في نموذج قابل للحساب. وبسبب هذا التعقيد ، تعمل نماذج الأنظمة البيئية عادةً على تبسيط الأنظمة التي تدرسها إلى عدد محدود من المكونات التي يتم فهمها جيدًا، والتي تعتبر ذات صلة بالمشكلة التي يهدف النموذج إلى حلها. ^{[22] [23]}

عادةً ما تعمل عملية التبسيط على تقليص النظام البيئي إلى عدد صغير من متغيرات الحالة والوظائف الرياضية التي تصف طبيعة العلاقات بينها. ^[24] يتم تحديد عدد مكونات النظام البيئي التي يتم دمجها في النموذج من خلال تجميع العمليات والكيانات المتشابهة في مجموعات وظيفية يتم التعامل معها كوحدة واحدة. ^{[25] [26]}

بعد تحديد المكونات التي سيتم نمذجتها والعلاقات بينها، هناك عامل مهم آخر في بنية نموذج النظام البيئي وهو تمثيل المساحة المستخدمة. تاريخيًا، غالبًا ما تجاهلت النماذج قضية المساحة 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 الصريحة مكانيًا (والتي تسمى أيضًا نماذج "الموزعة مكانيًا" أو "المناظر الطبيعية") دمج بيئة مكانية غير متجانسة في النموذج. ^{[27] [28] [29]} النموذج المكاني هو النموذج الذي يحتوي على متغير حالة واحد أو أكثر يكون دالة على المساحة، أو يمكن ربطه بمتغيرات مكانية أخرى. ^[30]

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 الذي تتم دراسته. هذا مهم لأن بعض المدخلات يمكن أن تتسبب في إخراج نموذج معيب لنتائج صحيحة. طريقة أخرى للتحقق هي مقارنة مخرجات النموذج بالبيانات التي تم جمعها من الملاحظات الميدانية. غالبًا ما يحدد الباحثون مسبقًا مقدار التباين الذي هم على استعداد لقبوله بين المعلمات التي ينتجها النموذج وتلك المحسوبة من البيانات الميدانية. ^{[31] [32] [33] [34] [35]}

أحد أقدم النماذج البيئية، ^[36] وأشهرها، هو نموذج المفترس والفريسة لألفريد جيه لوتكا (1925) ^[37] وفيتو فولتيرا (1926). ^[38] يتخذ هذا النموذج شكل زوج من المعادلات التفاضلية العادية ، حيث تمثل إحداهما نوعًا من الفرائس ، والأخرى تمثل مفترسها.

${\displaystyle {\frac {dX}{dt}}=\alpha .X-\beta .XY}$

${\displaystyle {\frac {dY}{dt}}=\gamma .\beta .XY-\delta .Y}$

أين،

${\displaystyle X}$هو عدد/تركيز أنواع الفرائس؛ ${\displaystyle Y}$هو عدد/تركيز الأنواع المفترسة؛ ${\displaystyle \alpha }$هو معدل نمو أنواع الفرائس؛

${\displaystyle \beta }$هو معدل الافتراس على ؛${\displaystyle Y}$${\displaystyle X}$ ${\displaystyle \gamma }$هي كفاءة الاستيعاب لـ ؛${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle \delta }$هو معدل الوفيات بين أنواع الحيوانات المفترسة

ابتكر فولتيرا هذا النموذج في الأصل لشرح التقلبات في أعداد الأسماك وأسماك القرش التي لوحظت في البحر الأدرياتيكي بعد الحرب العالمية الأولى (عندما تم تقليص الصيد ). ومع ذلك، تم تطبيق المعادلات لاحقًا بشكل أكثر عمومية. ^[39] على الرغم من بساطتها، إلا أنها توضح بعض السمات البارزة للنماذج البيئية: تشهد التجمعات البيولوجية النموذجية نموًا وتتفاعل مع التجمعات الأخرى (إما كمفترسات أو فرائس أو منافسين ) وتعاني من الوفيات . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

إن البديل البسيط والموثوق لنموذج لوتكا-فولتيرا للمفترس والفريسة وتعميماته الشائعة المعتمدة على الفريسة هو نموذج أرديتي-جينزبورغ المعتمد على النسبة . ^[40] والنموذجان هما أقصى طيف نماذج تداخل المفترس. ووفقًا لمؤلفي وجهة النظر البديلة، تُظهِر البيانات أن التفاعلات الحقيقية في الطبيعة بعيدة جدًا عن أقصى لوتكا-فولتيرا على طيف التداخل بحيث يمكن ببساطة استبعاد النموذج باعتباره خاطئًا. وهما أقرب كثيرًا إلى أقصى نسبة معتمدة على النسبة، لذا إذا كان هناك حاجة إلى نموذج بسيط، فيمكن للمرء استخدام نموذج أرديتي-جينزبورغ كتقريب أولي. ^[41]

استخدم عالم البيئة النظري روبرت أولانوفيتش أدوات نظرية المعلومات لوصف بنية النظم البيئية، مع التركيز على المعلومات المتبادلة (الارتباطات) في الأنظمة المدروسة. واستنادًا إلى هذه المنهجية والملاحظات السابقة للنظم البيئية المعقدة، يصور أولانوفيتش مناهج لتحديد مستويات الضغط على النظم البيئية والتنبؤ بردود أفعال النظام تجاه أنواع محددة من التغيير في إعداداتها (مثل زيادة أو انخفاض تدفق الطاقة، والتغذية الزائدة . ^[42]

تقدم لعبة كونواي للحياة وتنوعاتها نموذجًا للأنظمة البيئية حيث يكون القرب بين أعضاء السكان عاملاً في نمو السكان.

• خان، م. ف.؛ بريثا، ب.؛ شارما، أ. ب. (2015). "نمذجة شبكة الغذاء لتقييم تأثير مكملات المخزون في نظام بيئي خزاني في الهند". إدارة مصايد الأسماك والبيئة . 22 (5): 359-370. doi :10.1111/fme.12134.
• بانيكار، بريثا؛ خان، م. فيروز؛ ديساي، في آر؛ شريفاستافا، إن بي؛ شارما، إيه بي (2014). "توصيف التفاعلات الغذائية لنظام بيئي خزان استوائي يهيمن عليه سمك السلور لتقييم آثار ممارسات الإدارة". علم الأحياء البيئي للأسماك . 98 : 237-247. doi :10.1007/s10641-014-0255-6. S2CID  16992082.
• بانيكار، بريثا؛ خان، م. فيروز (2008). "النماذج الغذائية المتوازنة الكتلة المقارنة لتقييم تأثير تدابير الإدارة البيئية في نظام بيئي لخزان استوائي". النمذجة البيئية . 212 (3-4): 280-291. doi :10.1016/j.ecolmodel.2007.10.029.
• فيروز خان، م.؛ بانيكار، بريثا (2009). "تقييم تأثيرات الأسماك الغازية على بنية شبكة الغذاء وخصائص النظام البيئي لخزان استوائي في الهند". النمذجة البيئية . 220 (18): 2281-2290. doi :10.1016/j.ecolmodel.2009.05.020.

• موارد النمذجة البيئية (ecobas.org)
• نماذج تقييم التعرض وكالة حماية البيئة الأمريكية
• علم السموم البيئية والنماذج (ecotoxmodels.org)