الگوهای پوشش گیاهی خودتنظیم: علائم پیش‌‌آگاهی در پیش‌‌بینی گذرهای اکوسیستمی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری ژئومورفولوژی، گروه جغرافیای طبیعی، دانشگاه فردوسی مشهد

2 استادیار گروه مدیریت مناطق خشک و بیابانی، دانشکدۀ منابع طبیعی و محیط‌زیست، دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

فرایندهای خودتنظیمی به ظهور الگوهای منظم متفاوتی در ساختار اکوسیستم‌‌ها منجر می‌‌شوند، به طوری که دینامیک این الگوها از قدرتمندترین شاخص‌‌ها برای پیش‌‌بینی گذرهای بحرانی‌ است. به دلیل اهمیت پیش‌‌بینی وقوع گذرهای بیابانی در اکوسیستم‌‌های خشک، در دهه‌‌های اخیر مدل‌‌های پیوسته، متشکل از معادلات دیفرانسیل مشتق جزئی برای تحلیل دینامیک الگوهای پوشش گیاهی با توجه به نوع مکانیزم مسلط در این اکوسیستم‌‌ها ارائه شده‌‌اند. در مقالۀ حاضر با نگاهی اجمالی به برخی از این مدل‌‌ها، با تأکید بر مدل جیلاد، روند تغییر الگوهای پوشش گیاهی در اکوتون‌‌های خشک بررسی شده است. هدف از این مقاله بررسی ارتباط بین تحول ژئوسیستم‌‌ها، آستانه‌‌ها و دینامیک‌‌های غیرخطی الگوهای پوشش گیاهی برای پیش‌‌بینی پاسخ سیستم‌‌ها به تنش‌‌های محیطی، از طریق مدل‌‌های دینامیک پوشش گیاهی است. نتایج بر اساس مدل جیلاد بیانگر این واقعیت است که گذرهای بیابانی لزوماً ناشی از تغییرات کاتاسترف نبوده، بلکه تغییر از وضعیت‌‌های همگن پوششی به شرایط همگن فاقد پوشش یا گذرهای بیابانی، فرایندی تدریجی و مرحله‌‌ای است. گواه این ادعا بر اساس کالیبراسیون خروجی‌‌های مدل با مشاهدات تجربی، شکل‌‌گیری الگوهای حدواسط و ترکیبی در محدوده‌‌های پایداری دوجانبه در حین گذر از یک وضعیت پایدار به سایر وضعیت‌‌های پایدار متناوب است. همچنان‌که اکوسیستم‌‌ها به نقاط گذر نزدیک‌‌تر می‌‌شوند، به دلیل تشدید تنش‌‌های محیطی، میزان انعطاف‌‌پذیری آن‌‌ها کمتر می‌شود به طوری‌‌ که به تدریج، الگوها نظم خود را از دست می‌‌دهند و به صورت الگوهای نامنظمی از خطی، مارپیچ، درزی و نقطه‌‌ای در سیستم ظاهر می‌‌شوند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Aguiar, M. R.,  and  Sala, O. E. 1999. Patch structure, dynamics and implications for the functioning of arid ecosystems. J. Trends in Ecology & Evolution, V. 14. pp.273–277.
Bromley, J. J., Brouwer, A. P., Barker., Gaze, S. R.  and  Valentin, C. 1997. The  role of surface water distribution in an area of patterned vegetation in a semi-arid environment, south-west Niger, J. Hydrology, V. 198, pp. 1– 29.
Barbier, N., Couteron, P., Lejoly, J., Deblauwe, V. and Lejeune, O. 2006. Self organized vegetation patterning as fingerpint of climate and human impact on semi-arid ecosystems. J. Ecology, V. 94, PP. 537-547.
Couteron, P.,  and  Lejeune, O. 2001. Periodic spotted patterns in semi-arid vegetation explained by a propagation-inhibition model, J. Ecology, V. 89, pp. 616 – 628.
Dakos, V., van Nes, E., Donangelo, R., Fort, H. and Scheffer, M. 2010. Spatial correlation as leading indicator of catastrophic shifts. J. Theoretical Ecology, V. 3, PP. 163–174.
Dakos, V., Kefi, S., Rietkerk, M, Van Nes, E. and Scheffer, M. 2011. Slowing Down in Spatially Patterned Ecosystems at the Brink of Collapse. J. The American Naturalist. V. 177. No. 6. pp. 153 – 166.
Dakos, V., Carpenter, S., Brock, W., Ellison, A., Guttal, V., Ives, A., Kefi, S., Livina, V., Seekell, D., Van Nes, E. and Scheffer, M. 2012. Methods for Detecting Early Warnings of Critical Transitions in Time Series Illustrated Using Simulated Ecological Data, J. PLoS ONE, V.7, NO. 7, PP. 1-20.
d’Herbes, J. M., Valentin, C. and Tongway, D. J. 2001. Banded vegetation patterns and related structures in Banded vegetation patterning in arid and semiarid environments; ecological processes and consequences for management, Ecological studies 149, Springer-Verlag, New York, USA, pp.1–19.
Dunkerley, D. L. 1997. Banded vegetation: development under uniform rainfall from a simple cellular automation model, J. Plant Ecology, V. 129, PP. 103–111.
Dunkerley, D. L. 2002. Infiltration rates and soil moisture in a groved Mulga community near Alice Springs, arid central Australia: evidence for complex internal rainwater redistribution in runoff-runon landscape, J. Arid Environments, V. 51, pp. 199 – 219.
Gilad,  E., von  Hardenberg,  J.,  Provenzale,  A.,  Shachak,  M. and Meron,  E. 2007.  A  mathematical  model  for  plants  as  ecosystem  engineers.  J.  Theoretical  Biology,V. 244,  PP. 680–691.
HilleRisLambers, R., Rietkerk, M., van den Bosch, F., Prins, H. H.T. and  de Kroon, H. 2001.Vegetation pattern formation in semi-arid grazing systems, J. Ecology, V. 82, pp. 50–61.
Klausmeier, C. A. 1999. Regular and irregular patterns in semiarid vegetation. J. Science, V. 284, pp. 1826–1828.
Kefi, S., Alados, C.L., Chaves, R.C.G., Pueyo, Y. and Riatkerk, M. 2010a. Is the patch size distribution of vegetation a suitable indicator of desertification processes?, J. Ecology, V.91(12), PP. 3739 – 3742.
Kefi, S., Eppinga, M.B. and de`Ruiter,P.C. 2010b. Bistability and regular spatial patterns in arid ecosystems, J. Theoretical Ecology, V. 3, pp. 257-269.
Lavee, H., Imeson, A. C. and  Sarah, P. 1998. The impact of climate change on geomorphology and desertification along a Mediterranean–arid transect, J. Land Degradation and Development, V. 9, pp. 407–422.
Leprun, J. C. 1999. The influences of ecological factors on tiger bush and dotted bush patterns along a gradient from Mali to northern Burkina Faso. J. Catena, V. 37, pp. 25 – 44.
Lejeune, O., Tlidi, M. and Couteron, P. 2002. Localized vegetation patches: A self-organized response to resource scarcity, J. physical review, V. 66, pp. 010901-1 – 010901-4.
Puigdef ´ abregas, J., Sole, A., Gutierrez, L., del Barrio, G. and  Boer, M. 1999. Scales and processes of water and sediment redistribution in drylands: results from the Rambla Honda field site in 15 Southeast Spain, J. Earth science review, V. 48, pp.39–70.
 Rietkerk, M.,  and van de Koppel, J. 1997. Alternate stable states and threshold effects in semi-arid grazing systems, J. Oikos, V. 79, pp.69–76.
Reitkerk, M., Boerlijdt, M.C., Langevelde, F.V., Hillerislamber, R., Van de Koppel, J., Kumar, L., Prins, H.H. and de Roos, A.M. 2002. Self-Organization of Vegetation in Arid Ecosystems. J. The American Naturalist, V. 160, N0. 4, PP. 524 -530.
Rietkerk, M., Dekker, S.C., de`Ruiter, P.C. and Van de Koppel, J. 2004. Self-Organized Patchiness and Catastrophic Shifts in Ecosystems, J.Science, V. 305, pp. 1926 – 1929.
Saco, P.M., Willgoose, G. R. and Hancock, G.R. 2007. Ecogeomorphology and vegetation patterns in arid and semi-arid regions. J. Hydrology and Earth System Sciences, V. 3, pp.2559 – 2593.
Scheffer, M., Bascompte, J., Brock, W.A., Brovkin, V., Carpenter, S .R., Dakos, V., Held, H., Van Nes, E.H., Rietkerk, M. and Sugihara, G. 2009. Early-warning signals for critical transitions. J. Nature. V. 461. pp.53-59.
Sherratt, J.A. 2005. An analysis of vegetation stripe formation in semi-arid landscapes, J. Mathematical Biology, V.51, pp.183–197.
Siteur, K. 2011. Modelling early warning signals for critical transitions in a water-controlled grazing system, MSc Thesis, Utrecht University.
Thampson, S.E. 2010. Spatial Patterns in Dryland Vegetation and the Signi cance of Dispersal, Infiltration and Complex Topography, Ph.D thesis, Duke University.
Turing, A. M. 1952. The chemical basis of morphogenesis, J. Biological Sciences, V. 237, No. 64, pp.37–72.
Tongway, D. J., and Ludwig, J. A. 2001. Theories on the origins, maintenance, dynamics, and functioning of banded landscapes, in banded vegetation pattering in arid and semiarid envirornments: ecological processes and consequences for management, J. Ecological studies 149, Springer-Verlag, New York, USA, pp. 20-31.
Valentin, C., and d’Herbes, J. M.1999. Niger tiger bush as a natural water harvesting system, J. Catena. V.37, pp. 256-231.
van de Koppel, J., Rietkerk, M., van Langevelde, F., Kumar, L., Klausmeier, C. A., Fryxell, J. M., Hearne, J. W., van Andel, J., de Ridder, N., Skidmone, A., Stroosnijder, L. and Prins, H. H. T. 2002. Spatial heterogeneity and irreversible vegetation change in semiarid grazing systems, J.The American Naturalist, V. 159(2), PP. 209-218.
 von  Hardenberg,  J.,  Meron,  E., Shachak,  M. and  Zarmi,  Y. 2001. Diversity  of  vegetation patterns  and desertification, J. physical review Letter, V. 87, No. 19, PP. 198101 (1–4).
Wilcox, B. P., Breshears, D. D. and Allen, C. D. 2003. Ecohydrology of a resource conserving semi-arid woodland: effects of scale and disturbance, J. Ecological Monographs, V.73(2), pp. 223–239.