کاربردهای داده‌های زیست‌اقلیمی در مدل‌سازی توزیع گونه‌ها (SDM)
مقدمه: چرا مدل‌سازی توزیع گونه‌ها مهم است؟
درک الگوهای توزیع جغرافیایی گونه‌ها یکی از سوالات بنیادین علم اکولوژی است. عوامل مختلفی از جمله آب‌وهوا، خاک، توپوگرافی و تعاملات بین‌گونه‌ای بر پراکنش گونه‌ها اثر می‌گذارند. در این میان، عوامل زیست‌اقلیمی به عنوان یکی از تعیین‌کننده‌ترین متغیرها شناخته می‌شوند. مدل‌سازی توزیع گونه‌ها (SDM) با استفاده از الگوریتم‌های آماری و یادگیری ماشین، رابطه بین حضور گونه (بر اساس داده‌های میدانی) و مجموعه‌ای از متغیرهای محیطی (عمدتاً زیست‌اقلیمی) را استخراج کرده و آن را به مناطق جغرافیایی دیگر تعمیم می‌دهد.
مدل‌سازی توزیع گونه‌ها (Species Distribution Modeling) یک ابزار قدرتمند در اکولوژی، حفاظت و مدیریت منابع طبیعی است. هسته اصلی و بنیادی این مدل‌ها را داده‌های زیست‌اقلیمی (Bioclimatic Data) تشکیل می‌دهند. این داده‌ها که مشتق‌شده از پارامترهای اصلی دما و بارش هستند، چارچوب محیطی لازم برای پیش‌بینی مکان‌های بالقوه مناسب برای حیات گونه‌های گیاهی و جانوری را فراهم می‌کنند. این مقاله به بررسی مفصل کاربردهای داده‌های زیست‌اقلیمی، نقش آن‌ها در پیش‌بینی اثرات تغییر اقلیم، مزایا، محدودیت‌ها و آینده این فناوری حیاتی می‌پردازد.
داده‌های زیست‌اقلیمی (Bioclimatic Data) چیستند؟
داده‌های زیست‌اقلیمی مجموعه‌ای از ۱۹ متغیر استاندارد جهانی(معروف به متغیرهای BIO1 تاBIO19 ) هستند که توسط پروژه WorldClim معرفی شده‌اند. این متغیرها بر اساس داده‌های ماهانه دما و بارش در یک بازه زمانی بلندمدت (عموماً ۳۰ ساله) محاسبه می‌شوند و جنبه‌های حیاتی آب‌وهوا را که مستقیماً بر فیزیولوژی، بقا و تولیدمثل گونه‌ها تاثیر می‌گذارند، منعکس می‌کنند.
نمونه‌هایی از مهمترین متغیرهای زیست‌اقلیمی:
BIO1: دمای متوسط سالانه
BIO2: دامنه متوسط دمای ماهانه (میانگین حداکثر دما منهای میانگین حداقل دما(
BIO4: انحراف معیار استاندارد ماهانه دما
BIO12: بارش سالانه
BIO15: ضریب تغییرات بارش ماهانه
BIO19: بارش سردترین فصل سال
این متغیرها بسیار گویاتر از میانگین ساده دما یا بارش سالانه هستند و استرس‌های محیطی مانند یخبندان، خشکی و نوسانات فصلی را که می‌توانند محدوده پراکنش گونه را تعیین کنند، به خوبی نشان می‌دهند.
برای دسترسی به نقشه‌های 19 متغیر زیست اقلیمی استان‌های کشور و مقالات مرتبط در سایت درس گستر به لینک زیر مراجعه فرمایید:
"نقشه‌های رستری 19 متغیر زیست اقلیمی استان‌های کشور در سایت درس گستر"
"مقاله متغیرهای زیست اقلیمی: چالش‌ها و فرصت‌ها در مدیریت تغییرات بوم سازگان و تنوع زیستی"
کاربردهای کلیدی داده‌های زیست‌اقلیمی در SDM
۱. شناسایی و حفاظت از زیستگاه‌های مناسب
یکی از اصلی‌ترین کاربردهای SDM، شناسایی مناطق جغرافیایی است که از شرایط زیست‌اقلیمی مناسب برای یک گونه برخوردارند اما به دلایل مختلف (مانند تخریب زیستگاه یا فشار شکار) فاقد جمعیت آن گونه هستند. این اطلاعات برای برنامه‌ریزی احیای زیستگاه، ایجاد کریدورهای حیات وحش و طراحی مناطق حفاظت شده جدید کاملاً ضروری است.
۲. پیش‌بینی اثرات تغییر اقلیم
این احتمالاً حیاتی‌ترین کاربرد داده‌های زیست‌اقلیمی است. دانشمندان با استفاده از مدل‌های آب‌وهوایی (GCMs) و سناریوهای مختلف انتشار گازهای گلخانه‌ای، داده‌های زیست‌اقلیمی آینده (مثلاً برای سال ۲۰۵۰ یا ۲۰۷۰) را تولید می‌کنند. سپس مدل ساخته‌شده بر اساس داده‌های اقلیمی حال حاضر، بر روی این داده‌های آینده اجرا می‌شود تا:
مناطق پناهگاه‌های اقلیمی (Climate shelters) که در آینده نیز شرایط پایدار خواهند داشت، مشخص گردند.
۳. مدیریت گونه‌های مهاجم و آفات
داده‌های زیست‌اقلیمی به ما کمک می‌کنند تا پتانسیل گسترش و تهاجم یک گونه غیربومی را ارزیابی کنیم. با مدل‌سازی شرایط مطلوب یک آفت یا گونه مهاجم در سرزمین مادری آن، می‌توان مناطق جدیدی را که در معرض خطر تهاجم هستند، پیش‌بینی و راهکارهای مدیریتی زودهنگام را اجرا کرد.
۴. کشف و شناسایی گونه‌های جدید
گاهی اوقات مدل‌های توزیع مبتنی بر داده‌های زیست‌اقلیمی، مناطقی را پیش‌بینی می‌کنند که از نظر شرایط محیطی بسیار مناسب هستند، اما تاکنون هیچ گزارش میدانی از حضور گونه در آنجا ثبت نشده است. این نقشه‌ها می‌توانند به عنوان یک راهنمای میدانی ارزشمند برای زیست‌شناسان عمل کرده و به کشف جمعیت‌های ناشناخته یا حتی گونه‌های جدید منجر شوند.
۵. مطالعات تکاملی و فیزیولوژیکی
با تطبیق داده‌های ژنتیکی و فیزیولوژیکی گونه‌ها با مدل‌های توزیع، می‌توان به درک بهتری از سازگاری‌های محلی و نیاکان مشترک دست یافت. این تحلیل‌ها نشان می‌دهند که چگونه فشارهای اقلیمی در طول تاریخ تکاملی، پراکنش و تنوع ژنتیکی گونه‌ها را شکل داده‌اند.
مزایا و چالش‌ها
مزایا:
لینک آموزش‌های مرتبط در سایت درس گستر:
" آموزش رایگان آشنایی با سایت WorldClim به منظور اخذ داده‌های اقلیمی و زیست اقلیمی"
" آموزش سایت CHELSA به منظور اخذ داده‌های اقلیمی، زیست اقلیمی و سری‌های زمانی"
چالش‌ها و محدودیت‌ها:
آینده مدل‌سازی با داده‌های زیست‌اقلیمی
این حوزه در آینده با چند تحول بزرگ روبرو است:
نتیجه‌گیری
داده‌های زیست‌اقلیمی بدون شک ستون فقرات علم مدل‌سازی توزیع گونه‌ها را تشکیل می‌دهند. آن‌ها پنجره‌ای به گذشته، حال و آینده پراکنش زیستی روی کره زمین ارائه می‌دهند. با وجود چالش‌های موجود، قدرت این داده‌ها در پیش‌بینی الگوهای مکانی، به ویژه در مواجهه با تهدیدهای بی‌سابقه‌ای مانند تغییر اقلیم، آن‌ها را به ابزاری برای دانشمندان، مدیران و سیاستگذاران حوزه حفاظت تبدیل کرده است. با پیشرفت فناوری و ادغام داده‌های جدید، دقت و قابلیت اطمینان این مدل‌ها روزبه‌روز افزایش خواهد یافت.
سوالات متداول :
سوال: معروف‌ترین منبع برای دریافت داده‌های زیست‌اقلیمی کجاست؟
پاسخ: پروژه WorldClim (worldclim.org) معروف‌ترین و پراستفاده‌ترین منبع برای دانلود این داده‌ها با وضوح‌های مختلف است.
سوال: آیا برای مدل‌سازی حتماً باید از همه ۱۹ متغیر استفاده کرد؟
پاسخ: خیر. استفاده از همه متغیرها به دلیل همخطی شدید توصیه نمی‌شود. لذا باید با استفاده از روش‌های آماری آنالیز چند متغیره مانند ماتریس همبستگی و ماتریس کوواریانس، خوشه‌بندی، تحلیل عاملی و آنالیز مولفه‌های اصلی، متغیرهای غیرضروری حذف و یک مجموعه متغیر مستقل انتخاب شوند.
برای کسب اطلاعات بیشتر از آموزش‌های مرتبط با مباحث آماری در سایت درس گستر به لینک‌های زیر مراجعه فرمایید:
" بسته آموزشی نرم افزار SPSS (مقدماتی و پیشرفته)"
سوال: مهمترین نرم‌افزارها برای انجام SDM کدامند؟
پاسخ:
نرم‌افزار MaxEnt: به عنوان یک نرم‌افزار مستقل، رایگان و بسیار محبوب و کاربرپسند که تخصصی برای مدل‌سازی توزیع گونه‌ها ساخته شده است.
نرم‌افزار R: یک زبان برنامه‌نویسی و محیط نرم‌افزاری رایگان و متن باز برای محاسبات آماری و گرافیکی است که قدرت واقعی آن در بسته‌های (Packages) تخصصی آن نهفته است.
نرم‌افزار ArcGIS: یک نرم‌افزار محبوب، قدرتمند و فراگیر سیستم اطلاعات جغرافیایی که قابلیت‌های بیشماری دارد لکن مهمترین آن قابلیت تحلیل داده‌های مکانی است.
برای دسترسی به آموزش‌های GIS در سایت درس گستر به لینک زیر مراجعه فرمایید: