مدل سازی اکولوژیکی

مدل‌سازی بوم‌شناختی شامل استفاده از مدل‌های ریاضی، تکنیک‌های کامپیوتری و تجزیه و تحلیل سیستم‌ها همراه با تئوری و داده‌های بوم‌شناختی برای درک و پیش‌بینی فرآیندهای زیست‌محیطی و برای حمایت از توسعه استراتژی‌ها و گزینه‌های خط‌مشی مدیریت منابع طبیعی و محیطی است. مدل‌سازی بوم‌شناختی با GIS به مدل‌سازان بوم‌شناختی اجازه می‌دهد تا داده‌های فضایی و غیرمکانی را از منابع مختلف ادغام کنند و با فرآیندهای اکولوژیکی به شیوه‌ای توزیع‌شده مکانی برخورد کنند و قابلیت‌های جدیدی برای تجزیه و تحلیل توزیع مکان/زمان پدیده‌های اکولوژیکی در اختیار آن‌ها قرار دهد. GIS و مدل سازی اکولوژیکی در مطالعات اکوسیستم های زمینی و آبی استفاده شده است. به عنوان مثال می‌توان به مدل‌سازی دینامیکی اکوسیستم، مدل‌سازی زیستگاه، مدل‌سازی شبیه‌سازی محصول، مدل‌سازی اختلال منظر، تجزیه و تحلیل الگوی منظر و بررسی اثرات تغییرات کاربری زمین و شرایط محیطی اشاره کرد. مطالعات موردی ارائه شده در این بخش محدود به تجزیه و تحلیل الگوی منظره ، توصیف پویایی جمعیت آفات و نقشه برداری بالقوه زیستگاه است.

مطالعه موردی 9- تحلیل الگوی منظر

پدیده های اکولوژیکی معمولاً با ساختارهای مکانی مشخص می شوند که شامل چندین فرایند اکولوژیکی در مقیاس های مکانی متعدد است: روندها در مقیاس های کلان، تکه ها، شیب ها و الگوها در مقیاس های متوسط ​​و محلی و الگوهای تصادفی در مقیاس های محلی و خرد ( فورتین و همکاران، 2002). اختلال در الگوهای منظره ممکن است با دخالت در فرایندهای اکولوژیکی کلیدی ضروری برای تداوم جمعیت موجودات زنده در سیستم و حفظ تنوع زیستی و سلامت اکوسیستم، یکپارچگی عملکردی ساختار مکانی را به خطر بیندازد. بنابراین تجزیه و تحلیل الگوی منظره پیش نیاز مطالعه روابط الگو و فرآیند است که پایه و اساس بوم شناسی منظر را تشکیل می دهد. در حالی که انواع مختلفی از الگوهای منظر و اهداف تحلیل الگوی منظر وجود دارد،

به طور کلی معیارهای منظر شاخص هایی هستند که ویژگی های هندسی و مکانی الگوهای منظر را در مقیاس خاصی نشان می دهند. در اینجا اصطلاح “مقیاس” به دانه و میزان اشاره دارد. دانه تفکیک مکانی داده ها یا نقشه است. وسعت محدوده مکانی یا مرزهای منظره است. به معنای واقعی کلمه صدها معیار منظره وجود دارد. نمونه هایی از معیارهای منظره شامل تراکم وصله ، متوسط ​​اندازه وصله، تراکم لبه، شاخص شکل منظره، سرایت و شاخص یکنواختی شانون است (جانسون و پاتیل، 2007). پچ یک مفهوم مهم در اکولوژی منظر است. از دیدگاه اکولوژیکی، تکه منطقه ای مجزا از شرایط محیطی نسبتاً همگن در مقیاس مشخص است. کلاسهای جداگانه پوشش زمین روی نقشه اغلب به عنوان تکه تلقی می شوند. معیارهای منظر بر ویژگی‌های مکانی و توزیع مکانی تکه‌ها تمرکز دارند.

بنابراین GIS ابزاری مفید و مؤثر برای تحلیل الگوی منظر بوده است. بسیاری از معیارهای منظره در نرم افزار GIS ادغام شده اند، مانند Patch Analyst برای ArcView یا برای آدرس زیر[1] و برنامه های r.le در GRASS (Baker and Cai 1992) و FRAGSTATS برای ArcGIS با آدرس زیر [2] ادغام شده اند. با این حال درک این نکته مهم است که بسیاری از معیارهای منظر به تغییرات مقیاس حساس هستند. روابط بین فرآیندهای اکولوژیکی و الگوهای منظره اندازه‌گیری شده با استفاده از مجموعه‌ای از معیارها در یک مقیاس ممکن است وجود نداشته باشد یا در مقیاس‌های دیگر یکسان نباشد. مطالعه موردی مایر و کامرون (2003) مسئله مقیاس را برجسته کرد. آنها از Patch Analyst برای ArcView برای مدل‌سازی روابط بین ویژگی‌های منظره و تنوع پرندگان در اوهایو استفاده کردند و تأثیر مقیاس را ارزیابی کردند.

پرندگان اغلب بارزترین حیوانات در اکوسیستم ها هستند و اغلب به عنوان ساده ترین شاخص تغییر محیط شناخته می شوند. ورمورث و سکرچی اوغلو (2011، ص 4) پرندگان را “جمع آوری کننده اطلاعات پرواز” توصیف کردند که می توانند اطلاعاتی در مورد تنوع زیستی و سلامت اکوسیستم ارائه دهند. بسیاری از مطالعات از پرندگان برای تعیین چگونگی تأثیر تنوع طبقه بندی بر ویژگی های منظر با استفاده از معیارهای منظره استفاده کرده اند و سپس از اطلاعات برای ارزیابی وضعیت اکوسیستم استفاده کرده اند. مایر و کامرون (2003) مطالعه خود را بر اساس بررسی پرندگان پرورشی و داده های کاربری/پوشش زمین با استفاده از دوازده معیار منظره انجام دادند. بررسی پرندگان پرورش دهنده (BBS) سرشماری سالانه ای است که توسط USGS هماهنگ شده و توسط داوطلبان در آمریکای شمالی انجام می شود. مسیرهای بررسی عمدتا به صورت تصادفی در امتداد جاده ها قرار می گیرند. طول هر مسیر 40 کیلومتر است، شامل پنجاه توقف در هر توقف، تعداد کل افراد خالدار در هر گونه پرنده توسط ناظران ثبت می شود. هفتاد و نه مسیر BBS در اوهایو و داده های مشاهده ای مربوط به آنها از سال 1991 تا 1997 بدست آمد و پنجاه و هشت مورد از آنها برای استفاده در مطالعه در ArcView دیجیتالی شد. داده های مربوط به کاربری/پوشش برای اوهایو نیز از USGS گرفته شده است که از تصاویر Landsat TM با وضوح 30 متر طبقه بندی شده است.

دوازده معیار اندازه گیری منظر عبارت بودند از :

• کل مساحت هسته جنگل – تعداد کل پیکسل های جنگل واقع در ناحیه هسته پچ، که مساحتی است که با فاصله هسته-بافر 1 پیکسل (در این مورد 30 متر) تعریف شده است.
• درصد پوشش جنگل – تعداد پیکسل های جنگل تقسیم بر تعداد کل پیکسل های منظره
• درصد پوشش منطقه شهری – تعداد پیکسل های منطقه شهری تقسیم بر تعداد کل پیکسل های منظره
• درصد پوشش زمین کشاورزی – تعداد پیکسل های زمین کشاورزی تقسیم بر تعداد کل پیکسل های منظره
• تعداد لکه های جنگلی – تعداد تکه های پوشش جنگلی
• تعداد تکه های شهری – تعداد تکه های پوشش زمین شهری
• متوسط ​​اندازه تکه جنگل – کل مساحت پوشش جنگل تقسیم بر تعداد تکه های جنگل
• متوسط ​​اندازه وصله منطقه شهری – مساحت کل زمین شهری تقسیم بر تعداد تکه های شهری
• لبه کل جنگل – طول کل لبه در اطراف همه تکه های جنگلی در منظره
• تراکم لبه جنگل – طول کل لبه در اطراف همه تکه های جنگلی در منظره تقسیم بر مساحت کل منظره
• میانگین ابعاد فراکتال تکه جنگل – محاسبه شده به شرح زیر است :

که در اینجا N تعداد تکه های موجود در منظره است ، m تعداد کاربری های زمین/دسته های پوشش ، ni تعداد تکه های کاربری زمین/پوشش نوع i ، Pij محیط قسمت دوم از کاربری زمین/نوع پوشش است i و Pij منطقه دومین قسمت کاربری/پوشش نوع i است.

• میانگین نزدیکترین همسایه بین لکه های جنگلی – مجموع کوچکترین فواصل بین لبه هر تکه جنگلی و نزدیکترین تکه جنگلی آن، تقسیم بر تعداد تکه های جنگلی در منظره.

در این مطالعه وسعت منظره های مختلف بر اساس بافرهای اطراف هر مسیر BBS به منظور ارزیابی تأثیر تغییرات در مقیاس تعریف شده است. این کار با ایجاد بافرهای 50 متری، 100 متری، 500 متری، 1000 متری، 2500 متری و 5000 متری در اطراف هر مسیر BBS روی لایه مسیر دیجیتالی BBS انجام شد، سپس لایه بافر بر روی لایه کاربری/پوشش زمین برای ایجاد یک لایه جدید انجام شد. نمایش طبقات کاربری/پوشش زمین (تصله) در هر بافر (وسعت) می باشد. این لایه برای اندازه گیری متریک های منظره فوق در هر منظره بافر استفاده شد. معیارهای منظره با Patch Analyst محاسبه شد.

پس از اندازه‌گیری دوازده معیار منظر برای هر منظره بافر، تحلیل‌های همبستگی در هر اندازه بافر (وسعت چشم‌انداز) برای تعیین اینکه چگونه معیارهای منظر با یکدیگر همبستگی دارند، انجام شد. نتایج نشان داد که در چهار کوچکترین وسعت (50 متر ، 100 متر ، 500 متر) و میانگین اندازه تکه جنگل، تعداد تکه های جنگل و درصد مناطق شهری کمترین ارتباط را داشتند، در حالی که میانگین ابعاد فراکتال تکه ای جنگل، لبه کل جنگل و درصد ناحیه شهری کمترین همبستگی را در این دو داشتند. بزرگترین میزان (2500 متر و 5000 متر بافر). این معیارهای کم همبستگی برای تجزیه و تحلیل های بعدی انتخاب شدند و سایر معیارهای بسیار مرتبط حذف شدند.

تنوع پرندگان از نظر غنای گونه ای (تعداد گونه ها) و شاخص تنوع شانون اندازه گیری شد. شاخص تنوع شانون به طور گسترده ای برای توصیف تنوع گونه ها در یک جامعه استفاده می شود. این مقدار فراوانی و یکنواختی گونه های موجود را به خود اختصاص می دهد. شاخص به صورت زیر محاسبه می شود :

که در اینجا  شاخص تنوع شانون است، n تعداد کل گونه های موجود در جامعه (غنا) و   نسبت گونه های i نسبت به تعداد کل گونه ها است.

غنای گونه ای و شاخص تنوع شانون برای 9 گروه داده در هر مسیر BBS در هر سال، شامل همه گونه های پرنده به عنوان یک گروه، پنج صنف زیستگاه (علفزار، آب های آزاد/تالاب، متوالی/ بوته زار، جنگل و شهری) و سه گروه محاسبه شد. اصناف مهاجر (مهاجران مسافت کوتاه، ساکنان و مهاجران نوگرمسیری). تجزیه و تحلیل واریانس انجام شد، و تایید کرد که هیچ گونه تنوع قابل توجهی در بین سال‌ها در غنا و تنوع وجود ندارد.

روابط بین تنوع پرندگان و ویژگی‌های منظره با انجام تحلیل‌های رگرسیونی در شش مقیاس مختلف (وسعت منظر)، با استفاده از مقادیر اندازه‌گیری شده متریک‌های منتخب با کمترین همبستگی و میانگین غنای گونه‌ای و میانگین مقادیر شاخص تنوع شانون از سال 1991 تا 1997 برای هر زیستگاه یا گروه مهاجر در هر مسیر. تمامی تجزیه و تحلیل های آماری با استفاده از بسته آماری SPSS انجام شد. شکل 10-11 فرایند تجزیه و تحلیل را خلاصه می کند.

این مطالعه به این نتیجه رسید که تنوع پرندگان جنگلی و مهاجران مناطق گرمسیری و غنای مهاجران در راههای کوتاه با ویژگی های منظره به بهترین وجه توضیح داده شده است. با این حال اثرات مقیاس نیز مشاهده شد. به عنوان مثال، میانگین اندازه تکه جنگل به طور مثبت با تنوع پرندگان متوالی/ اسکراب در وسعت منظره کوچک مرتبط بود، در حالی که لبه کل جنگل بیشتر تنوع این صنف را در گستره‌های منظره بزرگ توضیح می‌دهد. این نشان می دهد که انتخاب مقیاس مناسب هنگام استفاده از ویژگی های منظره برای پیش بینی تنوع و غنای پرندگان مهم است.

مطالعه موردی 10- توصیف پویایی جمعیت آفت

مطالعه موردی توسط بکلر و همکاران. (2004) استفاده از GIS را در تجزیه و تحلیل پویایی جمعیت کرم ریشه ذرت غربی (WCR)، Diabrotica virgifera virgifera Leconte (Coleoptera: Chrysomelidae)، در رابطه با ویژگی های منظره در شهرستان بروکینگز، داکوتای جنوبی، در بخش غربی کمربند ذرت ایالات متحده  نشان می دهد.

WCR حشره مخرب ذرت در منطقه کمربند ذرت ایالات متحده است که در صورت عدم درمان می تواند درصد قابل توجهی ذرت را از بین ببرد. WCR بزرگسالان ترجیح می دهند از برگ های ذرت تغذیه کنند. پس از اتمام محل گرده، آنها معمولاً در جستجوی سایر منابع گرده در مزارع کاشته شده بعدی مهاجرت می کنند. بنابراین فراوانی و توزیع مکانی WCR بزرگسالان تحت تأثیر شیوه های کشت قرار می گیرد. به منظور کنترل و مدیریت جمعیت WCR ، USDA برنامه مدیریت آفات کرم ریشه ذرت را در سراسر منطقه راه اندازی کرد. هدف از این مطالعه حمایت از تاکتیک های کنترل جمعیت برنامه با بررسی و مستندسازی تعامل عوامل ادافی و منظره با WCR بود. به طور خاص، این مطالعه به دنبال توصیف پویایی جمعیت WCR در رابطه با تغییرات الگوی منظره طی دوره پنج ساله (1997-2001) و ایجاد روابط پویایی جمعیت با بافت و ارتفاع خاک بود.

شکل 10-11 فرآیند تجزیه و تحلیل اندازه گیری ویژگی های منظره و روابط آنها با تنوع پرندگان در مقیاس های مختلف در اوهایو، ایالات متحده

داده های جمعیت WCR از طریق نظارت طی پنج سال با استفاده از تله های ظهور و پس از ظهور در مزارع طبقه بندی شده به عنوان ذرت پیوسته، ذرت سال اول، ذرت مخلوط، دیگر ذرت و سویا به دست آمد. مکان های تله با استفاده از GPS دیفرانسیل ثبت شد. برای هر سال تعداد WCR گرفته شده در هر مکان تله محاسبه شد. لایه های نقشه برداری برای نشان دادن مکان تله ها و شماره های WCR سالانه ایجاد شده است. سپس از این لایه‌های نقشه برداری برای تولید نقشه‌های شطرنجی جمعیت WCR هر سال با استفاده از تکنیک درونیابی وزنی معکوس استفاده شد. سری زمانی رسترهای جمعیت WCR دینامیک جمعیت WCR را نشان می دهد.

به منظور توصیف پویایی جمعیت، تعدادی از معیارهای منظره در سطح کلاس و سطح پچ از نقشه پوشش گیاهی منطقه مورد مطالعه با استفاده از FRAGSTATS استخراج شد. معیارهای سطح کلاس شامل مساحت و درصد منظره اشغال شده توسط هر نوع وصله (شاخص‌های ترکیب منظره)، تعداد تکه‌ها، میانگین اندازه وصله، میانگین شاخص مجاورت و میانگین فاصله نزدیکترین همسایه بود. معیارهای سطح وصله شامل اندازه ناحیه وصله، شاخص مجاورت هر وصله و فاصله نزدیکترین همسایه هر وصله بود. شاخص مجاورت و فاصله نزدیکترین همسایه نشانگر آرایش فضایی تکه‌ها هستند که ممکن است بر نرخ پراکندگی تأثیر بگذارد. سپس تجزیه و تحلیل های همبستگی برای تجزیه و تحلیل روابط بین معیارهای سطح پچ و میانگین تعداد WCR پس از ظهور، و بین معیارهای سطح کلاس و تعداد کل و میانگین WCR ثبت شده پس از ظهور انجام شد. شکل 10-12 روند تجزیه و تحلیل را نشان می دهد.

بر اساس تجزیه و تحلیل فوق، مشخص شد که تعداد کل WCR های گرفته شده به طور قابل توجهی با مساحت و درصد منظره اشغال شده توسط ذرت پیوسته، تعداد لکه های ذرت پیوسته و میانگین مجاورت آنها ارتباط دارد. تعداد کل WCR های گرفته شده از سال 1997 تا 2001 کاهش یافت ، زیرا کل کلاس ، درصد منظره و تعداد تکه های اشغال شده توسط ذرت در طول این دوره کاهش یافت. همچنین ارتباط معنی داری بین مساحت و درصد منظره اشغال شده توسط هر نوع وصله و تعداد تکه ها با تعداد کل و میانگین WCR گرفته شده در انواع مزارع ذرت وجود دارد. علاوه بر این در ذرت سال اول، همبستگی قابل توجهی بین ناحیه وصله، نزدیکی وصله و نزدیکترین وصله با تعداد متوسط ​​WCR در تله های پس از ظهور وجود داشت، در حالی که همبستگی منفی بین میانگین تعداد WCR پس از ظهور و نزدیکترین فاصله همسایه پیدا شد. علاوه بر این ارتباط معنی داری بین تعداد متوسط ​​WCR پس از ظهور در همه مناطق ذرت و وصله و مجاورت وجود دارد.

این مطالعه همچنین ارتباطات مکانی WCR با بافت خاک و ارتفاع را از طریق تجزیه و تحلیل احتمالی با استفاده از IDRISI تجزیه و تحلیل کرد. هم بافت خاک و هم داده های DEM از USGS به دست آمد. این نشان داد که فراوانی WCR ارتباط مکانی قوی با بافت خاک و ارتفاع دارد، با WCR اغلب در لوم لوم و رس سیلتی و در منطقه ارتفاعی 510-500 متر رخ می‌دهد. نویسندگان استدلال کردند که روش مورد استفاده در این مطالعه را می توان به مناطق بزرگتر تعمیم داد و می تواند شامل آب و هوا، داده های مفید حشرات و سایر داده های مکانی مربوطه در تجزیه و تحلیل GIS برای یافتن الگوهایی در منظره باشد که ممکن است تکه های جمعیت زیادی از حشرات را ایجاد کند تا بتوان استراتژی های مناسب مدیریت آفات را توسعه و اجرا کرد. این مطالعه همچنین نشان داد که سیستم های اکولوژیکی پویا هستند – شرایط اجزای آنها در طول زمان تغییر می کند. منظره باید در طول زمان برای پویایی سیستم (از جمله جمعیت شناسی جمعیت) کنترل شود. GIS می تواند نقش مفیدی در این نظارت و تجزیه و تحلیل داشته باشد.

برگرفته از کتاب کاربرد GISدر محیط زیست

ترجمه:سعید جوی زاده،شهناز تیموری،فاطمه حسین پور فرزانه