Пространственная экология

Пространственная экология изучает конечную единицу распространения или пространственную единицу, занимаемую видом . В конкретной среде обитания, разделяемой несколькими видами, каждый из видов обычно ограничен своей собственной микроареалом или пространственной нишей, поскольку два вида на одной и той же общей территории обычно не могут занимать одну и ту же экологическую нишу в течение сколько-нибудь значительного периода времени.

Обзор [ править ]

В природе организмы не распределены ни равномерно , ни случайно , а вместо этого образуют своего рода пространственный узор . [1] Это происходит из-за различных энергетических затрат, возмущений и взаимодействий видов, которые приводят к образованию пространственно неоднородных структур или градиентов . Эта пространственная изменчивость окружающей среды создает разнообразие сообществ организмов, а также разнообразие наблюдаемых биологических и экологических событий. [1] Тип присутствующего пространственного расположения может предполагать определенные взаимодействия внутри и между видами, такие как конкуренция , хищничество и размножение . [2] С другой стороны, определенные пространственные закономерности могут также исключать определенные экологические теории, которые ранее считались верными. [3]

Хотя пространственная экология имеет дело с пространственными закономерностями, она обычно основана на данных наблюдений, а не на существующей модели . [2] Это потому, что природа редко следует установленному ожидаемому порядку. Чтобы правильно исследовать пространственную структуру или популяцию, необходимо определить пространственную протяженность, в которой она встречается. В идеале, это должно быть сделано заранее с помощью эталонного пространственного исследования, которое определит, имеет ли закономерность или процесс локальный, региональный или глобальный масштаб. Однако в реальных полевых исследованиях такое случается редко из-за нехватки времени и финансирования, а также из-за постоянно меняющейся природы таких широко изучаемых организмов, как насекомые и дикая природа . [4] , передвижении, поведении и т. д. вида Имея подробную информацию об этапах жизни, динамике, демографии , можно разработать модели пространственной структуры для оценки и прогнозирования событий в невыбранных местах. [2]

История [ править ]

Большинство математических исследований в области экологии в девятнадцатом веке предполагали равномерное распределение живых организмов в их среде обитания. [1] За последнюю четверть века экологи начали осознавать степень, в которой организмы реагируют на пространственные закономерности окружающей среды. В связи с быстрым развитием компьютерных технологий в тот же период стали использоваться более совершенные методы статистического анализа данных. [3] Кроме того, неоднократное использование изображений дистанционного зондирования и географических информационных систем в определенном районе со временем привело к более тщательному анализу и выявлению пространственных закономерностей. [4] Эти технологии также расширили возможности определения того, как деятельность человека повлияла на среду обитания животных и изменение климата . [5] Мир природы становится все более фрагментированным из-за деятельности человека; антропогенное изменение ландшафта оказало волновое воздействие на популяции диких животных, которые теперь, скорее всего, будут небольшими, ограниченными в распространении и все более изолированными друг от друга. Частично в качестве реакции на эти знания, а частично из-за все более сложных теоретических разработок экологи начали подчеркивать важность пространственного контекста в исследованиях. Пространственная экология возникла в результате этого движения к пространственной ответственности; «постепенное введение пространственных вариаций и сложности в экологический анализ, включая изменения в пространственных структурах с течением времени». [6]

Концепции [ править ]

Масштаб [ править ]

В пространственной экологии масштаб относится к пространственной протяженности экологических процессов и пространственной интерпретации данных. [7] Реакция организма или вида на окружающую среду специфична для определенного масштаба и может реагировать по-разному в большем или меньшем масштабе. [8] Выбор шкалы, подходящей для рассматриваемого экологического процесса, очень важен для точного выдвижения гипотезы и определения основной причины. [9] [10] Чаще всего экологические закономерности являются результатом множества экологических процессов, которые часто происходят более чем в одном пространственном масштабе. [11] Благодаря использованию таких пространственных статистических методов, как геостатистика и анализ основных координат матриц соседей (PCNM), можно определить пространственные отношения между организмами и переменными окружающей среды в нескольких масштабах. [8]

Пространственная автокорреляция [ править ]

Пространственная автокорреляция означает, что значения образцов, взятых близко друг к другу, с большей вероятностью будут иметь одинаковую величину, чем случайно. [7] Когда пара значений, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, случайно более похожа, чем ожидалось, пространственная автокорреляция считается положительной. Когда пара значений менее похожа, пространственная автокорреляция считается отрицательной. Значения обычно имеют положительную автокорреляцию на более коротких расстояниях и отрицательную автокорреляцию на больших расстояниях. [1] Это широко известно как первый закон географии Тоблера , который можно резюмировать следующим образом: «Все связано со всем остальным, но близлежащие объекты более связаны, чем удаленные объекты».

В экологии есть два важных источника пространственной автокорреляции, оба из которых возникают в результате пространственно-временных процессов, таких как расселение или миграция : [11]

  • Истинная/присущая пространственная автокорреляция возникает в результате взаимодействия между людьми, расположенными в непосредственной близости. Этот процесс является эндогенным (внутренним) и приводит к тому, что особи примыкают в пространстве неоднородно . [7] Примером этого может быть половое размножение , успех которого требует близости самца и самки вида.
  • Индуцированная пространственная автокорреляция (или «индуцированная пространственная зависимость ») возникает в результате реакции вида на пространственную структуру экзогенных (внешних) факторов, которые сами по себе пространственно автокоррелированы. [7] Примером этого может служить ареал зимнего обитания оленей, которые используют хвойные породы для сохранения тепла и корма .

Большинство экологических данных демонстрируют некоторую степень пространственной автокорреляции, в зависимости от интересующего экологического масштаба (пространственного разрешения). Поскольку пространственное расположение большинства экологических данных не является случайным, традиционные случайные выборки населения имеют тенденцию переоценивать истинное значение переменной или делать вывод о значимой корреляции там, где ее нет. [1] Эту предвзятость можно исправить за счет использования геостатистики и других более продвинутых статистических моделей. Независимо от метода, чтобы быть достоверным, размер выборки должен соответствовать масштабу и используемому методу пространственной статистики. [4]

Узор [ править ]

Пространственные закономерности, такие как распространение видов, являются результатом истинной или индуцированной пространственной автокорреляции. [7] В природе организмы распределены неравномерно и не случайно. Окружающая среда пространственно структурирована различными экологическими процессами, [1] что в сочетании с поведенческой реакцией видов обычно приводит к:

  • Градиенты (тренды): устойчивое направленное изменение чисел на определенном расстоянии.
  • Пятна (комки): относительно однородная и однородная область, разделенная промежутками.
  • Шум (случайные колебания): вариации, которые невозможно объяснить с помощью модели.

Теоретически любая из этих структур может возникнуть в любом заданном масштабе. Из-за наличия пространственной автокорреляции в природе градиенты обычно встречаются на глобальном уровне, тогда как пятна представляют собой промежуточные (региональные) масштабы, а шум - на локальных масштабах. [11]

Анализ пространственных экологических закономерностей включает два семейства методов: [12]

  • Анализ точечных закономерностей касается распределения людей в пространстве и используется для определения того, является ли распределение случайным. [13] Он также описывает тип паттерна и делает выводы о том, какой процесс создал наблюдаемый паттерн. Методы квадратной плотности и метода ближайшего соседа являются наиболее часто используемыми статистическими методами.
  • Анализ структуры поверхности имеет дело с пространственно непрерывными явлениями. После того, как пространственное распределение переменных определено посредством дискретной выборки, статистические методы используются для количественной оценки величины, интенсивности и степени пространственной автокорреляции, присутствующей в данных (таких как коррелограммы , вариограммы и периодограммы), а также для картирования количество пространственных вариаций.

Приложения [ править ]

Исследования [ править ]

Анализ пространственных тенденций использовался для исследования управления дикой природой , экологии пожаров , экологии популяций , экологии болезней , инвазивных видов , морской экологии и моделирования связывания углерода с использованием пространственных отношений и закономерностей для определения экологических процессов и их воздействия на окружающую среду.Пространственные модели влияют на различное функционирование экосистем в экологии, например, повышают продуктивность. [14]

Междисциплинарный [ править ]

Концепции пространственной экологии имеют основополагающее значение для понимания пространственной динамики популяций и экологии сообществ . Пространственная неоднородность популяций и сообществ играет центральную роль в таких экологических теориях, как сукцессия , адаптация , стабильность сообщества, конкуренция , взаимодействие хищник-жертва , паразитизм и эпидемии . [1] Быстро расширяющаяся область ландшафтной экологии использует в своих исследованиях основные аспекты пространственной экологии. [ нужна ссылка ]

Практическое использование концепций пространственной экологии имеет важное значение для понимания последствий фрагментации и утраты среды обитания диких животных. Понимание реакции вида на пространственную структуру дает полезную информацию относительно сохранения биоразнообразия и восстановления среды обитания. [15]

Моделирование пространственной экологии использует компоненты дистанционного зондирования и географических информационных систем (ГИС). [ нужна ссылка ]

тесты Статистические ​ ​

Для изучения таких отношений был разработан ряд статистических тестов.

Тесты на основе расстояния [ править ]

Кларк и Эванс R [ править ]

Кларк и Эванс в 1954 году. [16] предложил тест, основанный на плотности и расстоянии между организмами. Согласно нулевой гипотезе ожидаемое расстояние ( r e ) между организмами (измеряемое как расстояние до ближайшего соседа) с известной постоянной плотностью ( ρ ) равно

наблюдаемым ( ro Разницу между ) и ожидаемым ( re ) можно проверить с помощью Z-теста.

где N — количество измерений ближайших соседей. Для больших выборок Z распределяется нормально. Результаты обычно представляют в виде отношения: R = ( r o ) / ( r e )

α Пьелу [ править ]

Пьелу в 1959 году разработал другую статистику. [17] Вместо ближайших соседей она рассматривала расстояние между организмом и набором заранее выбранных случайных точек внутри области отбора проб, опять-таки предполагая постоянную плотность. Если население случайно рассредоточено по территории, эти расстояния будут равны расстояниям до ближайших соседей. Пусть ω будет отношением расстояний от случайных точек и расстояний, рассчитанных на основе вычислений ближайших соседей. α – это [ нужна ссылка ]

где d — постоянная общая плотность, а π имеет обычное числовое значение. Значения α меньше, равные или больше 1 указывают на однородность, случайность ( распределение Пуассона ) или агрегацию соответственно. Альфа может быть проверена на значительное отклонение от 1 путем вычисления статистики теста.

где х 2 распространяется с 2 n степенями свободы. n здесь — количество отобранных организмов.

Монтфорд в 1961 году показал, что когда оценивается плотность, а не известная константа, эта версия альфа имеет тенденцию переоценивать фактическую степень агрегации. Он представил пересмотренную формулировку, которая исправляет эту ошибку.Существует широкий круг математических проблем, связанных с пространственными экологическими моделями, касающимися пространственных закономерностей и процессов, связанных с хаотическими явлениями, бифуркациями и нестабильностью. [18]

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г Лежандр, П.; Фортен, М.-Ж. (1989). «Пространственная структура и экологический анализ». Экология растений . 80 (2): 107–138. CiteSeerX   10.1.1.330.8940 . дои : 10.1007/BF00048036 . S2CID   17101938 .
  2. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Перри, JN; А. М. Либхольд; М. С. Розенберг; Дж. Дунган; М. Мирити; А. Якомульска; С. Цитрон-Пусти (2002). «Иллюстрации и рекомендации по выбору статистических методов количественной оценки пространственной структуры экологических данных» (PDF) . Экография . 25 (5): 578–600. дои : 10.1034/j.1600-0587.2002.250507.x .
  3. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Либхольд, AM; Ю. Гуревич (2002). «Интеграция статистического анализа пространственных данных в экологии». Экография . 25 (5): 553–557. CiteSeerX   10.1.1.564.6946 . дои : 10.1034/j.1600-0587.2002.250505.x .
  4. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Тобин, ПК (2004). «Оценка пространственной автокорреляционной функции: последствия выборки динамических популяций в пространстве и времени». Экография . 27 (6): 765–775. CiteSeerX   10.1.1.505.4030 . дои : 10.1111/j.0906-7590.2004.03977.x .
  5. ^ Кейтт, Тимоти Х.; Оттар Н. Бьернстад; Филип М. Диксон; Стив Ситрон-Поуст (2002). «Учет пространственной закономерности при моделировании взаимодействий организма и окружающей среды». Экография . 25 (5): 616–625. дои : 10.1034/j.1600-0587.2002.250509.x .
  6. ^ Роквуд, Ларри Л. (2006). Введение в популяционную экологию . Малден, Массачусетс, США: Blackwell Publishing Ltd., стр. 108–110. ISBN  9781405132633 .
  7. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и Фортен, Мари-Жозе; Марк РТ Дейл (2005). Пространственный анализ: Руководство для экологов . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-80434-9 .
  8. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Беллиер, Э.; П. Монестье; Ж.-П. Дурбек; Ж.-Н. Кандау (2007). «Идентификация пространственных отношений в нескольких масштабах: основные координаты матриц соседей (PCNM) и геостатистические подходы». Экография . 30 (3): 385–399. дои : 10.1111/j.0906-7590.2007.04911.x .
  9. ^ Де, Кнегт; ван Лангевельде, Ф.; Кугенур, МБ; Скидмор, АК; де Бур, ВФ; Хейткениг, IMA; Нокс, Нью-Мексико; Слотоу, Р.; ван дер Ваал, К.; Принс, HHT (2010). «Пространственная автокорреляция и масштабирование отношений вид-окружающая среда» . Экология . 91 (8): 2455–2465. дои : 10.1890/09-1359.1 . ПМИД   20836467 .
  10. ^ Вильшут, Л.И.; Аддинк, Э.А.; Хестербек, Япония; Хейер, Л.; Лаудисоа, А.; Бегон, М.; Дэвис, С.; Дубянский В.М.; Бурделов Л.; де Йонг, С.М. (2013). «Потенциальные коридоры и барьеры распространения чумы в Центральной Азии» . Международный журнал географии здравоохранения . 12 (49): 49. дои : 10.1186/1476-072X-12-49 . ПМК   4228490 . ПМИД   24171709 .
  11. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Фортин, М.-Ж.; метро Дейл; Дж. Вер Хоф (2002). «Пространственный анализ в экологии» (PDF) . Энциклопедия окружающей среды . 4 : 2051–2058.
  12. ^ Лежандр, П. (1993). «Пространственная автокорреляция: проблема или новая парадигма?». Экология . 74 (6): 1659–1673. дои : 10.2307/1939924 . ISSN   0012-9658 . JSTOR   1939924 .
  13. ^ Вильшут, Л.И.; Лаудисуа, А.; Хьюз, Северная Каролина; Аддинк, Э.А.; де Йонг, С.М.; Хестербек, Япония; Рейньерс, Дж.; Игл, С.; Дубянский В.М.; Бегон, М. (2015). «Пространственное распределение хозяев чумы: точечный анализ нор больших песчанок в Казахстане» . Журнал биогеографии . 42 (7): 1281–1291. дои : 10.1111/jbi.12534 . ПМЦ   4737218 . ПМИД   26877580 .
  14. ^ Риткерк, М.; Ван де Коппель, Дж. (2008). «Регулярное формирование закономерностей в реальных экосистемах». Тенденции экологии и эволюции . 23 (3): 169–175. дои : 10.1016/j.tree.2007.10.013 . ПМИД   18255188 .
  15. ^ Коллиндж, СК (2001). «Пространственная экология и биологическая охрана: Введение». Биологическая консервация . 100 : 1–2. дои : 10.1016/s0006-3207(00)00201-9 .
  16. ^ Кларк, ПиДжей; Эванс, ФК (1954). «Расстояние до ближайшего соседа как мера пространственных отношений в популяциях». Экология . 35 (4): 445–453. дои : 10.2307/1931034 . JSTOR   1931034 .
  17. ^ Пиелоу, ЕС (1959). «Использование расстояний от точки до растения при изучении закономерностей в популяциях растений». Дж Экол . 47 : 607–613. дои : 10.2307/2257293 . JSTOR   2257293 .
  18. ^ Пападимитриу, Фивос (2010). «Математическое моделирование пространственно-экологических сложных систем: оценка» . География, окружающая среда, устойчивое развитие . 1 (3): 67–80. дои : 10.24057/2071-9388-2010-3-1-67-80 .

Внешние ссылки [ править ]

Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Spatial_ecology&oldid=1188221226"