Грузоподъемность - Carrying capacity

Пропускная способность из среды максимального размера популяции биологического вида , которые могут быть понесены этой конкретной средой, учитывая питание, среда обитание , воду и другие ресурсы доступны. Пропускная способность определяется как максимальная нагрузка окружающей среды , которая в популяционной экологии соответствует равновесию населения, когда количество смертей в популяции равно количеству рождений (а также иммиграции и эмиграции). Влияние пропускной способности на динамику популяции моделируется с помощью логистической функции.. Пропускная способность применяется к максимальной численности населения, которую окружающая среда может поддерживать в экологии , сельском хозяйстве и рыболовстве . Термин «несущая способность» применялся к нескольким различным процессам в прошлом, прежде чем, наконец, был применен к пределам популяции в 1950-х годах. Понятие несущей способности человека охватывается понятием устойчивой популяции .

Происхождение

Что касается динамики популяции , термин «несущая способность» не использовался явно в 1838 году бельгийским математиком Пьером Франсуа Ферхюльстом, когда он впервые опубликовал свои уравнения, основанные на исследованиях по моделированию роста населения.

Происхождение термина «грузоподъемность» неясно, и источники по-разному утверждают, что он первоначально использовался «в контексте международного судоходства » в 1840-х годах или что он был впервые использован во время лабораторных экспериментов 19 века с микроорганизмами. В 2008 году обзор находит первое использование этого термина в английском языке было 1845 докладом госсекретарь США в сенат США . Затем он стал термином, обычно используемым в биологии в 1870-х годах, а наиболее развитым в области управления дикой природой и животноводством он стал в начале 1900-х годов. Он стал основным термином в экологии, используемым для определения биологических пределов естественной системы, связанных с размером популяции в 1950-х годах.

Неомальтузианцы и евгеники популяризировали использование этих слов для описания количества людей, которые Земля может поддерживать в 1950-х годах, хотя американские биостатисты Раймонд Перл и Лоуэлл Рид уже применили их в этих терминах к человеческому населению в 1920-х годах.

Хэдвен и Палмер (1922) определили продуктивность как плотность стада, который можно выпасать в течение определенного периода без ущерба для ареала.

Впервые он был использован в контексте управления дикой природой американцем Альдо Леопольдом в 1933 году, а год спустя также американцем Полом Лестером Эррингтоном , специалистом по водно-болотным угодьям . Оба использовали этот термин по-разному, Леопольд в основном имел отношение к пастбищу животных (различая `` уровень насыщения '', собственный уровень плотности, в котором будет жить вид, и вместимость большинства животных, которые могут быть в поле) и Эррингтон, определяющий «вместимость» как количество животных, при превышении которого хищники станут «тяжелыми» (это определение в значительной степени отвергалось, в том числе самим Эррингтоном). Важный и популярный 1953 учебника по экологии по Одум , Основа экологии , популяризировал термин в его современном значении как равновесное значение логистической модели роста населения.

Математика

Конкретная причина, по которой популяция перестает расти, известна как ограничивающий или регулирующий фактор .

Достижение пропускной способности за счет кривой логистического роста

Разница между рождаемостью и смертностью - это естественный прирост . Если популяция данного организма ниже пропускной способности данной среды, эта среда может поддерживать положительный естественный прирост; если он окажется выше этого порога, популяция обычно уменьшается. Таким образом, несущая способность - это максимальное количество особей вида, которое может поддерживать среда.

Размер популяции уменьшается по сравнению с допустимой нагрузкой из-за ряда факторов, зависящих от рассматриваемого вида , но может включать недостаточное пространство , запасы пищи или солнечный свет . Пропускная способность окружающей среды может различаться для разных видов.

В стандартной экологической алгебре , как показано в упрощенном Ферхюльсте модели в динамике популяций , пропускная способность представлена константа К :

куда

N - размер популяции ,

r - собственная скорость роста

K - пропускная способность окружающей среды, а

dN / dt , производная от N по времени t , представляет собой скорость изменения численности населения во времени.

Таким образом, уравнение связывает скорость роста населения в N к текущей численности населения, включая эффект два постоянных параметров R и К . (Обратите внимание, что уменьшение - это отрицательный рост.) Буква K была выбрана из немецкого Kapazitätsgrenze (предел вместимости).

Это уравнение является модификацией исходной модели Ферхюльста:

В этом уравнении, пропускная способность К , является

Это график численности населения по модели логистической кривой. Когда численность населения превышает допустимую, она уменьшается, а когда она ниже допустимой, она увеличивается.

Когда модель Ферхюльст изображена в виде графика, изменение с течением времени население принимает форму сигмовидной кривой , достигнув самого высокого уровня в K . Это кривая логистического роста, рассчитанная с помощью:

куда

e - основание натурального логарифма (также известное как число Эйлера ),
x 0 -значение x средней точки сигмоида,
L - максимальное значение кривой,
K - скорость логистического роста или крутизна кривой, а

Кривая логистического роста показывает, как взаимосвязаны темпы роста населения и пропускная способность. Как показано в модели кривой логистического роста, когда размер популяции невелик, она увеличивается экспоненциально. Однако, поскольку размер популяции приближается к пропускной способности, рост уменьшается и достигает нуля при K .

То, что определяет пропускную способность конкретной системы, включает ограничивающий фактор, которым может быть что-то вроде доступных запасов пищи , воды , гнездовий, пространства или количества отходов, которые могут быть поглощены. Если ресурсы ограничены, например, для населения оседакса на кит падения или бактерий в чашке Петри, население кривой вниз до нуля после того, как ресурсы были исчерпаны, с кривым достигают свой апогей в K . В системах , в которых ресурсы постоянно пополняются, население достигнет равновесия в K .

Имеется программное обеспечение, помогающее рассчитать пропускную способность данной природной среды.

Экология населения

Переносимость - это широко используемый метод биологов, пытающихся лучше понять биологические популяции и факторы, которые на них влияют. При рассмотрении биологических популяций потенциальная емкость может использоваться как стабильное динамическое равновесие с учетом темпов вымирания и колонизации. В популяционной биологии логистический рост предполагает, что размер популяции колеблется выше и ниже равновесного значения.

Многие авторы ставят под сомнение применимость этого термина к реальным диким популяциям. Несмотря на то, что это полезно в теории и в лабораторных экспериментах, использование пропускной способности как метода измерения пределов популяции в окружающей среде менее полезно, поскольку оно не предполагает никаких взаимодействий между видами.

сельское хозяйство

Расчет пропускной способности загона в Австралии производится в эквивалентах сухого поголовья овец (DSE). Один ДСА 50 кг меринос погода , сухая овца или небеременные овцу, которая поддерживается в состоянии стабильного. В ДСЭ рассчитываются не только овцы, но и продуктивность другого домашнего скота. Отлученный от груди теленок британской породы, набирающий 0,25 кг / день, составляет 5,5DSE, но если бы такой же вес теленка того же типа набирал 0,75 кг / день, его можно было бы измерить с помощью 8DSE. Крупный рогатый скот не все одинаковый, их DSE могут варьироваться в зависимости от породы, темпов роста, веса, коровы («мать»), быка или быка («бык» в Австралии), а также от отъема , стельности или влажный (т. е. кормящий ). Для фермеров важно рассчитать несущую способность своей земли, чтобы они могли установить устойчивую норму поголовья . В других частях света для расчета грузоподъемности используются разные единицы. В Соединенном Королевстве загон измеряется в LU, единицах поголовья, хотя для этого существуют разные схемы. В Новой Зеландии используются LU, EE (эквиваленты овец) или SU (складские единицы). В США и Канаде в традиционной системе используются животные единицы (AU). Французско-швейцарская единица - Unité de Gros Bétail ( UGB ).

Лето дойных коров в швейцарских Альпах в кантоне Вале

В некоторых европейских странах, таких как Швейцария, пастбище ( alm или alp ) традиционно измеряется в Stoß , при этом один Stoß равен четырем Füße (футам). Более современная европейская система - Großvieheinheit (GV или GVE), соответствующая 500 кг живого веса крупного рогатого скота. В экстенсивном земледелии 2 ГВ / га - обычная норма поголовья, в интенсивном сельском хозяйстве , когда выпас дополняется дополнительными кормами , нормы могут составлять от 5 до 10 ГВ / га. В Европе средние показатели поголовья варьируются в зависимости от страны: в 2000 г. в Нидерландах и Бельгии этот показатель составлял 3,82 ГВ / га и 3,19 ГВ / га соответственно, в соседних странах - от 1 до 1,5 ГВ / га, а в более южноевропейских странах - от 1 до 1,5 ГВ / га. в странах этот показатель ниже, причем в Испании самый низкий показатель - 0,44 ГВ / га. Эта система также может применяться на природных территориях. Выпас крупных травоядных с концентрацией примерно 1 ГВ / га считается устойчивым на пастбищах Центральной Европы, хотя этот показатель сильно варьируется в зависимости от многих факторов. В экологии теоретически (т. Е. Циклическая последовательность , динамика участков , мегагербоядная гипотеза ) считается, что давление выпаса дикой природы 0,3 ГВ / га достаточно, чтобы препятствовать облесению на естественной территории. Поскольку разные виды занимают разные экологические ниши , например, лошади пасутся на короткой траве, крупный рогатый скот - на более длинной траве, а козы или олени предпочитают красться по кустам, дифференциация ниш позволяет местности иметь немного более высокую пропускную способность для смешанной группы видов, чем это могло бы быть. если бы был задействован только один вид.

Некоторые схемы нишевого рынка требуют более низких показателей поголовья, чем можно максимально выпасать на пастбище. Для того, чтобы продавать мясные продукты как «биодинамические» , требуется более низкий уровень Großvieheinheit от 1 до 1,5 (2,0) ГВ / га, при этом некоторые фермы, имеющие производственную структуру, используют только 0,5–0,8 ГВ / га.

Продовольственная и сельскохозяйственная организация представила три международных единиц: ФАО Животноводство Единицы для Северной Америки, ФАО животноводство Единицы для стран Африки к югу от Сахары, и Тропического скот единиц.

Другой более грубый и менее точный метод определения вместимости загона - это просто объективное изучение состояния стада. В Австралии национальная стандартизованная система оценки состояния поголовья осуществляется на основе оценки состояния тела (BCS). Животное в очень плохом состоянии получает оценку BCS, равную 0, а чрезвычайно здоровое животное получает оценку 5: животные могут быть оценены между этими двумя числами с шагом 0,25. По крайней мере, 25 животных одного и того же типа должны быть оценены для получения статистически репрезентативного количества, и подсчет должен проводиться ежемесячно - если среднее значение падает, это может быть связано с тем, что поголовье превышает вместимость загона или слишком мало корма. Этот метод менее прямой для определения показателей поголовья, чем рассмотрение самого пастбища, потому что изменения в состоянии поголовья могут отставать от изменений в состоянии пастбища.

Рыболовство

Рыбалка на закате в Кочине, Керала, Индия .

В рыболовстве грузоподъемность используется в формулах для расчета устойчивого вылова для управления рыболовством . Максимальный устойчивый выход (МПЗ) определяется как «самый высокий средний улов , который может быть непрерывно взяты из эксплуатируемого населения (=) при наличии средних условий окружающей среды». Первоначально он рассчитывался как половина от допустимой нагрузки, но с годами совершенствовался, и теперь он составляет примерно 30% популяции, в зависимости от вида или популяции. Поскольку популяция вида, которая из-за промысла оказалась ниже своей продуктивности, окажется в экспоненциальной фазе роста, как видно из модели Ферхюльста, вылов рыбы в количестве, равном или ниже MSY, является избыточным уловом, который может можно вести устойчивый промысел без уменьшения размера популяции в состоянии равновесия, сохраняя при этом максимальное пополнение популяции (тем не менее, ежегодный промысел можно рассматривать как модификацию r в уравнении, т.е. годовая рыбалка немного ниже, чем было бы без этого K ). Обратите внимание, что математически и с практической точки зрения MSY проблематична. Если будут сделаны ошибки и даже небольшое количество рыбы будет вылавливаться каждый год выше MSY, динамика популяций подразумевает, что общая популяция в конечном итоге сократится до нуля. Фактическая пропускная способность окружающей среды может колебаться в реальном мире, что означает, что на практике MSY может незначительно изменяться от года к году (ежегодная устойчивая урожайность и максимальная средняя урожайность пытаются учесть это). Другие аналогичные концепции - это оптимальная устойчивая урожайность и максимальная экономическая урожайность , это обе нормы урожая ниже MSY.

Эти расчеты используются для определения квот на вылов рыбы .

Смотрите также

использованная литература