Invasive species distribution modeling under climate change

İklim değişikliği altında istilacı tür dağılım modellemesi

PDF İndir

Tez No: 895230
Yazar: OĞUZHAN KANMAZ
Danışmanlar: PROF. DR. HASAN NÜZHET DALFES
Tez Türü: Doktora
Konular: Biyoloji, Botanik, Biology, Botany
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2023
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Avrasya Yerbilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: İklim ve Deniz Bilimleri Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Yer Sistem Bilimi Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 165

Özet

Biyolojik istilalar, küresel çevre değişiminin en belirgin bileşenlerinden biri olup pek çok ekolojik ve ekonomik soruna kaynak teşkil etmektedirler. Biyolojik istilalar, biyoçeşitlilik kaybı, biyotik homojenizasyon, ekosistem yapı ve işlevlerinde değişiklikler gibi geri döndürülmesi güç ve kimi durumda imkansız biyolojik sonuçlar doğurmakta olup sebep oldukları kayıp ve hasarların ekonomik maliyetinin yıllık milyar dolarlar mertebesinde olduğu hesaplanmaktadır. Biyolojik istilalar belli bir bölgede baş gösterdikten sonra kontrol altına alınmaları gerek maddi, gerekse de insan gücü açısından oldukça maliyetli ve hatta pek çok koşulda da sonuçsuzdur. Bu açıdan biyolojik istilalara karşı uygulanabilecek en etkili yöntem önlemeye dayalı yaklaşımlardır. İstila riskinin yüksek olduğu alanların tespiti ve potansiyel istila senaryolarının göz önüne alınması, önleme çalışmaları için büyük önem arz etmekte olduğundan bu amaçla kullanılabilecek hesaplamalı modeller pek çok açıdan vazgeçilmez araçlardır. Geçtiğimiz on yıllarda daha güçlü donanımların yaygınlaşmasının yanı sıra erişilebilir çevresel ve biyocoğrafi verilerin nicelik ve niteliğindeki artış, hesaplamalı modellerin ekolojinin hemen her dalında yaygın şekilde kullanılmalarına olanak sağlamıştır. Bunun bir örneği olan Tür Dağılım Modelleri, özellikle veri güdümlü korelatif yöntemler, küresel çevre değişiminin türlerin dağılımları üzerindeki güncel ve gelecekteki etkilerinin araştırılması amacıyla yaygın şekilde kullanılmıştır. Bu modellerinin istilacı türler üzerinde kullanımı ile ortaya çıkan istilacı tür dağılım modelleri, öngördükleri uygunluk/bulunma olasılıkları ile, riskli bölgelerin tespitinde, her ne kadar istilacı türlerin çevreleri ile denge halinde olmayışlarından dolayı bu kullanımın denge varsayımının ihlaline yol açabileceği ile eleştirilmiş de olsa, umut vadeden bir araç olarak öne çıkmaktadır. Diğer taraftan Tür Dağılım Modellerinin en önemli eksikliklerinden biri de biyolojik istilaların temel bileşenlerinden yayılmayı dikkate almaması ve yayılış potansiyelini sınırsız olarak varsaymasıdır, Bu açıdan Tür Dağılım Modellerince öngörülen riskin her zaman gerçek bir istilaya işaret etmeyebilecek olması dikkatle yaklaşılması gereken bir konudur. Gittikçe yaygınlaşmakta olan bir diğer method olan Etmen Temelli Modelleme, etmen adı verilen işlevsel birimlerin birbirleri ve çevreleriyle nispeten basit etkileşimlerine dayanarak karmaşık örüntüler oluşturabilmeleri açısından, pek çok ekolojik süreç ve ilişkiyi simüle edebilmekte ve biyolojik istilalar da dahil olmak üzere ekolojinin pek çok dalında kullanılmaktadır. Daha çok teorik problemlerin çözümlerinde in silico laboratuarlar olarak iş gören ve paradigmatik şekilde değerlendirilen bu modellerin, gerçek dünya uygulamalarına yönelik yani pragmatik şekilde kullanımları, türler bağlamında önsel bilgi gerektirmesi ve önsel bilginin pek çok tür için henüz deneysel ya da gözlemsel olarak tespit edilmemiş olması göz önüne alındığında, nispeten güçtür. Birden fazla modelleme metodunun birlikte kullanımına dayalı olarak oluşturulan Hibrit Modeller, bileşenleri olan modellerin güçlü yönlerini kullanmalarının yanı sıra bu bileşenlerin doğalarından kaynaklanan eksikliklerinin diğer bileşenlerce giderilmesiyle, simüle ettikleri sistemlar hakkında daha gerçekçi sonuçlar üretebilme potansiyelini taşımaktadırlar. Bu tez kapsamında Korelatif Tür Dağılım ve Etmen Temelli Modelleme metodlarının birlikte kullanımı ile Korelatif ve Etmen Temelli olmak üzere iki bileşen içeren hibrit bir modelleme çerçevesi oluşturulmuştur. Buna göre, çerçeve yıllık adımlarla ilerlerken, Korelatif Bileşen iklimsel veriler ve tür dağılım verisini kullanarak Etmen Temelli Bileşen'e girdi teşkil eden uygunluk projeksiyonları yapmakta, Etmen Temelli Bileşen ise ilerleyen zaman adımlarında Korelatif Bileşen'in projeksiyon yapabilmesi için simüle edilmiş dağılımlar üretmektedir. Bu temel yapının ötesinde, modelleme çerçevesinin modüler oluşu sayesinde istilası simüle edilen tür hakkındaki mevcut önsel bilgiye dayanan süreç ve ilişkilerin dahil edilmesi ile daha gerçekçi ve güvenilir projeksiyonlar yapılabilmektedir. Modelleme çerçevesinin uygulaması için oldukça yaygın ve agresif bir istilacı tür olan Impatiens glandulifera kullanılmıştır. Anavatanı Himalayalar olan I. glandulifera 19. yüzyılın sonlarında Avrupa ve Amerika'ya bahçecilik ve arıcılık amacıyla getirilmiş olup kısa sürede özellikle akarsu kıyılarını istila etmiştir. Halihazırda Kuzey yarımkürenin ılıman kuşağı boyunca yayılış göstermekte olup Güney yarımküredeki yayılışı nispeten sınırlıdır. Son 20 yılda alışılageldik yayılım alanlarının dışına çıkarak ormanlık ve dağlık bölgeleri de istila etmeye başladığı gözlenmiştir. Uygulamanın mekansal bağlamı olarak hem literatürdeki çalışma sayısının hem de yayılış alanının Avrupa'ya kıyasla sınırlı olduğu Kuzey Amerika seçilmiş ve simülasyonlar RCP 4.5 iklim değişikliği senaryosu altında 2020-2050 periyodu için yürütülmüştür. I. glandulifera hakkındaki önsel bilgilerin dahil edilebilmesi açısından Etmen Temelli Bileşen'in alt bileşenleri olan İklimsel Pencere, Peyzaj Uygunluğu ve Propagül Prosedürleri olmak üzere üç prosedür ve üretken, üretim-sonrası ve üretkenlik öncesi olmak üzere üç de etmen tipi tanımlanmıştır. İklimsel Pencere Prosedürü; Soğuklama Periyodu, Biyoiklimsel Uygunluk ve Üretken Etmen Örneklemesi alt prosedürlerini içermekte olup, tohumların çimlenebilmesi için gerekli olan soğuklama gereksinimine ve Korelatif Bileşen tarafından üretilen uygunluk projeksiyonlarına bağlı olarak, önceki zaman adımında üretilen üretkenlik- öncesi etmenlerden üretken etmenlere dönüşümü sağlamakta ve bunların örneklemesini gerçekleştirmektedir. Propagül Prosedürü, üretken etmenlerin üretim- sonrası etmenleri ürettiği ve bunların yayılımının gerçekleştiği prosedürdür. Peyzaj Uygunluğu prosedürü, üretim-sonrası etmenlerin topografi, arazi kullanımı ve toprak pH'ına göre üretkenlik öncesi etmenlere dönüşümünün değerlendirildiği prosedürdür. Yürütülen simülasyonların sonucunda, Kuzey Amerika'da başlangıç koşullarında batı ve doğu kıyılarında yoğunlaşan istilacı yayılım alanının 2020-2050 periyodu süresince genişlemeye devam ettiği gözlenmiştir. Yayılımın mevcut alanlarda belirgin şekilde artması, özellikle Büyük Göller bölgesinin kuzeyinde ve New England kıyılarında doygunlukla sonuçlanırken, kıtanın içlerine doğru gözlenen ilerleme uzun vadede kıyıdan kıyıya kesintisiz bir istilacı yayılış alanının oluşumuna işaret etmektedir. Batı kıyılarındaki yayılım büyük ölçüde dağ sıraları tarafından sınırlanmıştır. Özellikle başlangıç koşullarında sınırlı yayılımın gözlendiği Alberta- Saskatchewan bölgesinde öngörülen şiddetli istila dikkat çekici sonuçlar arasındadır. Sonuçlar enlemsel ilerleyiş açısından ele alındıklarında iklim değişikliği altında gerçekleşmesi beklenen, türlerin büyük çaplı kuzey yönlü ilerleyişi trendine uygunluk göstermektedir. Yayılış alanının kuzey sınırları belirgin şekilde boreal biyom sınırlarını takip etmekte olup yer yer boreal ormanlara yayılmalar gözlenmiştir. Güney sınırının, Avrupa'daki mevcut yayılış alanının güney sınırına benzer enlemlerde oluştuğu ve alçak enlemlere doğru ilerleyişin sınırlı olduğu elde edilen sonuçlar arasındadır. Yine Avrupa'da olduğu gibi, Akdeniz iklimin gözlendiği batı kıyılarında ilerleme öngörülmemiştir. Özellikle iklim değişikliği altında daha da kırılganlaşacak olan boreal ormanlar gibi ekosistemler ve iklim değişikliğine bağlı olarak kuzeye kayan biyomların arasındaki ekotonlar için yapılan istila projeksiyonları, I. glandulifera'nın zarar görmüş alanlarda daha şiddetli yayılım göstermesi açısından endişe vericidir. Büyük ölçüde insan kaynaklı olan ve doğal süreçlerin aksine son derece öngörülemez şekillerde gerçekleşen, uzun mesafeli yayılmanın modele dahil edilmediği göz önüne alındığında istilanın yer yer öngörülenden daha şiddetli olabileceği söylenebilir. Ayrıca kullanılan dağılım verisindeki eksikliklerin tüm modelleme metotlarında olduğu gibi, sonuçlar üzerindeki etkileri kaçınılmazdır. Bu tez kapsamında, incelenen türün özelliklerine ve yapılan çalışmanın kapsamına uygun olarak belirlenen, başta iklim değişikliği projeksiyonları olmak üzere, çevresel değişkenlerin kullanımı ile gerek korelatif metotlarla elde edilen gerekse türe özel önsel bilgiye dayanarak potansiyel istila senaryolarını simüle edebilen iki bileşenli bir modelleme çerçevesi oluşturulmuştur. Oluşturulan bu modelleme çerçevesi ile yaygın bir istilacı tür olan I. glandulifera'nın Kuzey Amerika'daki istilası simüle edilerek, istilacı yayılım alanı hakkında projeksiyonlar üretilmiştir. Elde edilen sonuçlar coğrafi açıdan ele alınarak, başlangıç ve nihai koşullardaki yayılım alanı kıyaslanmış, istilanın yayılım alanı üzerindeki biyomlarda sebep olabileceği etkiler değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçların, hem I. glandulifera'nın tarihsel dağılımı ve fizyolojisi ile hem de diğer çevresel projeksiyonlarla gösterdiği tutarlılık, geliştirilen modelleme çerçevesinin diğer türler üzerinde de kullanılabilirliği ve önleme stratejilerinin belirlenmesinde faydalı bir araç teşkil edebileceği konusunda umut vericidir.

Özet (Çeviri)

Biological invasions are one of the most significant components of global environmental change. The biological consequences of invasions such as biodiversity loss, biotic homogenization, alterations in the structure and function of ecosystems are difficult to reverse and even impossible in many cases. The damages and loss caused by biological invasions are estimated to reach billion dollars each year. Post introduction control of an invasive species is often futile alongside being expensive and labor intensive. In this sense, prevention is considered to be the most effective strategy against invasions. Determination of the areas under risk of invasion and evaluation of the potential invasion scenarios are extremely important. To that end computational models constitute crucial tools. In recent decades increased availability of powerful hardwares, alongside with the accessibility of environmental and biogeographic data, due to the developments in information technologies, lead to the utilization of computational models in various fields of ecology. Species Distribution Models (SDMs), which are an example of such applications, especially the data-driven correlative methods, were utilized widely to investigate the impacts of global environmental change on the current and future distribution of species. Application of SDMs on invasive species to determine the areas under invasion via the projected suitability/presence probabilities, despite the criticism on the violation of the equilibrium assumption, has become a widely used method with various successful and promising examples. However, another problematic aspect of such applications is that the projected suitability cannot always be interpreted as an actual invasion since the dispersal is a crucial process of biological invasions. Agent-Based Modeling (ABM) is a population modeling method with wide applications in ecology to simulate various complex processes via the functional units called agents which can interact with each other and the environment. In this respect agent-based models constitute a remarkable alternative to simulate biological invasions with various examples in the literature. While agents-based models are especially useful to investigate the theoretical problems and considered as in silico laboratories for paradigmatic models, their application on spatially explicit, real world cases to construct pragmatic models is mostly difficult due to the lack of a priori knowledge on the majority of the species to calibrate such models. Hybrid modeling is a promising approach which can utilize more than one modeling method in tandem, by taking advantageous aspects of these methods which can complement each other to obtain more reliable results. Within the scope of this thesis, a hybrid modeling framework, which consists of a correlative and an agent- based component was constructed. Accordingly, while the framework proceeds in yearly time steps, correlative component produces bioclimatic suitability projections to be used by the agent-based component and the agent-based component generates simulated occurrence records to be utilized by the correlative component for making projections. Beyond the basic structure of the framework, the modular structure enables the inclusion of species specific processes which are constructed based on the a priori knowledge to obtain more realistic projections. For the implementation of the modeling framework, Impatiens glandulifera, a highly aggressive invasive plant native to Himalayas, was selected. Since its introduction to Europe and North America in the late 19th century as an ornamental plant, it has primarily invaded riparian habitats. The current invasive range of I. glandulifera spreads across the northern hemisphere. In the last two decades, it was observed to invade forests and mountainous areas. The spatial context of the model was determined as North America where the invasive range is far from reaching its bioclimatic potential and the simulations were conducted for 2020-2050 period under RCP 4.5 climate change scenario. In accordance with the a priori knowledge on I. glandulifera, the agent-based component of the framework which consists of three procedures (Climatic Window Procedure, Landscape Suitability Procedure and Propagule Procedure) to process three types of agents (productive, post-production and pre-productive agents) was constructed. The Climatic Window Procedure which consists of Chilling Period, Bioclimatic Suitability, and Productive Agent Sampling sub-procedures, performs the transformation of pre-productive agents to productive agents based on the chilling requirement and bioclimatic suitability projections that are generated by the correlative component alongside the sampling of the generated agents. The Propagule Procedure performs the generation and dispersal of post-generation agents. The Landscape Suitability procedure evaluates the transformation of post- generation agents to pre-productive agents based on the pH, elevation, slope, and land use properties. As the result of the conducted simulations, it was observed that the initial invasive range in North America, which is on the west and the east shores initially, has expanded through the 2020-2050 period. While in the eastern part of the invasion range, Great Lakes region and New England shores were observed to be saturated, progression on the western part was primarily determined by the mountain ranges. The severity of the projected invasion range on the Alberta-Saskatchewan region is especially remarkable, considering the limited presence of I. glandulifera in this area in the initial conditions. Another important result is the potential formation of a continuous range crossing the continent in the long term, due to the aggressive expansion to the interior regions. The projected latitudinal progression of the invasion is compatible with the large- scale pattern of the northward progression of the species due to climate change. While the northern boundary of the projected invasion range was roughly following the boreal biome, the southern boundary was formed on latitudes similar to the southern boundary of the invasion range in Europe. Another striking similarity was the southern progression on the west shores being limited by the Mediterranean climate observed in the region, which is also the determinant of the limited southward progression in Europe. The potential impacts of the I. glandulifera on the boreal forests, which are expected to be more fragile in the future due to climate change, must be carefully evaluated since I. glandulifera is known to spread in such disturbed forests. The long distance dispersal is mostly a result of anthropogenic activity, and unlike many of the natural processes, can lead to unpredictable results. This constitutes a limitation for the projections. Also, the impact of the incomplete occurrences data on the projections, especially records for the regions, is unavoidable. In the scope of this PhD thesis, it was aimed to construct a modeling framework by the utilization of correlative species distribution and agent-based modeling methods in tandem to simulate biological invasions under climate change. The framework was implemented to make projections for I. glandulifera invasion in North America for 2020-2050 period under RCP 4.5 scenario. In accordance with the conducted spatiotemporal analysis on the projections, invasion patterns were determined and the potential impacts on the invasive range were evaluated. The results were observed to be in concert with the historical invasion patterns of I. glandulifera in Europe and the climatic and environmental projections for North America. In this regard the framework can be considered a promising tool to be utilized for making projections which can be used for determination of the areas under invasion risk.

Benzer Tezler

Tez No
897348
Ege bölgesindeki bazı istilacı egzotik bitkilerin yayılış alanlarının MaxEnt modeline göre değerlendirilmesi
Evaluation of the distribution areas of some invasive exotic plants in the aegean region according to the MaxEnt model
ZEYNEP APA
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Peyzaj Mimarlığı İzmir Demokrasi Üniversitesi
Peyzaj Mimarlığı Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİRSEN KESGİN ATAK
Tez No
847227
Türkiye'de kestane gal arısı (Dryocosmus kuriphilus yasumatsu)'nun iklim değişikliği temelinde günümüz ve gelecekteki yayılış alanlarının tahmini
Prediction of the current and future distribution areas of the chestnut gall wasp (Dryocosmus kuriphilus yasumatsu) in Turkey under the basis of climate change
SEVCAN ÇALLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Ormancılık ve Orman Mühendisliği Kastamonu Üniversitesi
Orman Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EROL AKKUZU
Tez No
804420
Xanthium spinosum L.'un iklim değişikliğine bağli olarak global düzeyde potansiyel dağılım alanlarının belirlenmesi
Global potential distribution areas of Xanthium spinosum L. under changing climate
ZÜLEYHA ÖZTOP
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Biyografi Harran Üniversitesi
Bitki Koruma Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SHAHID FAROOQ
Tez No
887372
Türkiye'nin karantina listesinde olan su sümbülü [Pontederia (=Eichhornia) crassipes (Mart.)]'nün iklim değişikliğine bağlı olarak dağılım alanlarının belirlenmesi
Predicting potential spread of water hyacinth [Pontederia(=Eichhornia) Crassipes (Mart.)] listed as quarantine weed in Türkiye under changing climate
HATİCE SOLMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Ziraat Harran Üniversitesi
Bitki Koruma Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SHAHID FAROOQ
Tez No
496564
Experimental and ecological niche modelling approaches to predict potential distribution areas of some invasive weeds in Turkey
Deneysel ve ekolojik niş modelleme yaklaşımları ile Türkiye'de bazı istilacı yabancı otların potansiyel dağılım alanlarının tahmini
SHAHID FAROOQ
Doktora
İngilizce
2018
Ziraat Gaziosmanpaşa Üniversitesi
Bitki Koruma Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İZZET KADIOĞLU

Geri Dön