Simulace pastviny (NetLogo)

Zadání

Název simulace: Simulace pastviny

Autor: Jan Reindl

Typ modelu: Multiagentní

Modelovací nástroj: NetLogo

Popis modelu: Model zachycuje situaci na pastvině, pastvina je pokryta trávou a nachází se v ní zvířata konzumující trávu Pokud zvířata spasou veškerou trávu na určitém poli, dojde k erozi půdy a pole se změní v poušť. Pokud je naopak pole dlouhou dobu nespasené, zaroste křovím. V pastvině se nachází tři druhy zvířat, skot, ovce a kozy. Každý druh má jiné preference z hlediska potravy, každé zvíře tak při krmení používa jinou strategii a případně si i vybírá jiný druh rostlin ke spasení. Tedy: Skot je nejvybíravější a při nízkém počtu zvířat je i nízký selekční tlak a krávy tak nejsou nuceny jíst i "plevel", což zvyšuje šanci na to, že pastvina zaroste křovím. Při vysokém počtu zvířat však není skot schopen tolik prosperovat. Ovce nejsou vybíravé, ale nechávají za sebou po pastvě menší množství rostlin, které poté obrůstá. Kozy naopak preferují plevel a menší křovinaté rostliny. Sežerou ale všechno i s kořínky a významně tím přispívají k desertifikaci.

Metoda

Zvolenou metodou je software NetLogo, který dovoluje relativně dobře nasimulovat model v podstatě jakéhokoliv ekosystému a problému v jeho rámci řešenému. Navíc dobře dovoluje sledovat dlouhodobý běh modelu a změny v průběhu času.

Model

Model se skládá ze tří druhů agentů a obsahuje 6 uživatelem zadávaných parametrů, řadu vnitřních, obvykle "hard-coded" parametrů, 3 ukazatele, 2 z nich ve formě grafu.

Vstupní parametry

• number-of-cows - Udává počet krav vytvořených v modelu.
• number-of-sheep - Udává počet ovcí vytvořených v modelu.
• number-of-goats - Udává počet koz vytvořených v modelu.
• regrowth-rate - Udává rychlost, s jakou rychlostí rostliny v pastvině obrůstají
• energy-decay - Udává, jak rychle zvířatům ubývá energie, tedy s jakou rychlostí "dostávají hlad"

• Allow Reproduction - Po stisknutí tlačítka se zvířata v modelu mohou rozmnožovat

Pole

Vlastnosti polí

Každé políčko představuje část pastviny, na které roste tráva. Každé pole má 3 vlastní hodnoty:

• annuals-amount - Označuje množství dostupných, převážně jednoletých travin
• perennials-amount - Označuje množství dvouletých a víceletých rostlin dostupné k pastvě
• bushes-amount - Označuje množství křovin, náletů a podobných rostlin, které mohou jíst zvířata

Akce polí

• colour-patch - Tato metoda obarvuje políčka na základě množství rostlin. Jsou rozlišeny 4 barvy pro erodovanou půdu a pro zdravou, příliš vytíženou, a zarostlou pastvinu.
• regrow-annuals - Zaručuje obnovu jednoletých rostlin, pokud jsou spaseny pod určitou mez, dorůstají nějakou dobu pomaleji.
• regrow-perennials - Zaručuje obnovu víceletých rostlin, pokud jsou spaseny pod určitou mez, dorůstají nějakou dobu také pomaleji, ale tato hranice je nižší, neboť tyto rostliny ukrývají více energie v kořenech.
• regrow-bushes - Zaručuje růst křovin, ty rostou velice pomalu, dokud se nedostanou přes určitou mez, kdy začnou růst rychleji.

Jednotlivé druhy rostlin si v růstu přirozeně vzájemně konkurují. Vzhledem k zadaným hodnotám a dostupným datům, by jedno pole mělo velice přibližně odpovídat ploše sta metrů čtverečních.

Agenti

Všem agentům je v modelu univerzální parametr energy, status a speed. Energie udává, jak jsou zvířata vykrmena a Status je svázán s energií a udává, jestli je zvíře vykrmené, zdravé, nebo zdali hladoví.

Cows

 Skot, nebo jednoduše krávy mají kromě pohybu dvě akce:

• cows-graze - Zajišťuje pasení krav. Krávy preferují jednoleté rostliny, poté víceleté a křoviny okusují pouze z nutnosti a mají z nich méně energie. Rostliny jedí spíše povrchně a nechávají za sebou větší množství zeleně, jsou ale vybíravější.
• reproduce-cows - Pokud je povolena reprodukce a kráva je dobře živena, má šanci se rozmnožit

Sheep

Ovce mají vlastní variantu akcí

• sheep-graze - Zajišťuje pasení ovcí. Ovce preferují víceleté rostliny, poté jednoleté a křoviny okusují pouze z nutnosti a tolik se jimi nenasytí. Rostliny okusují až na nízký porost, to více vyhovuje právě víceletým rostlinám, ale méně těm jednoletým.
• reproduce-sheep - Pokud je povolena reprodukce a ovce je dobře živena, má šanci se rozmnožit

Goats

I kozy mají svoji variantu akcí.

• sheep-graze - Zajišťuje kozám krmení se. Kozy preferují okusování keřů. Ostatní rostliny, zejména ty víceleté jim ale nedělají problém. Sežerou, to co je zrovna k mání a nedělá jim problém sežrat rostliny na poli i s kožínky a zabránit tak jejich dalšímu růstu.
• reproduce-goats - Pokud je povolena reprodukce a koza je dobře živena, má šanci se rozmnožit

UI a ukazatele

Uživatelské rozhraní je relativně jednoduché a umožňuje zadávat vstupní parametry a sledovat ukazatele. Ukazatele jsou následující:

• Status of animals - Dovoluje sledovat počet a poměr zvířat podle jejich stavu v čase - zda li jsou dobře vykrmená, pouze zdravá, nebo zda dokonce strádají hladem, a jak se tento poměr vyvyjí v čase.

• Soil Status - Sleduje poměr polí, která jsou buďto zdravá, zarostlá, přílišně vytížena, nebo zda se vlivem zvířat změnila v poušť.

• Hunger strike bodycount - Ukazuje, kolik zvířat nepřežilo hladovku.

Pohled na UI

Výsledky

Po několika dnech testování a upravování parametrů se mi ani vzdáleně nepodařilo dospět ke stavu, který by vedl k dobrému stavu jak zvířat, tak pastviny. Ani jsem nenašel žádný dokonalý poměr mezi počty krav, koz a ovcí. Přesto se v modelu našla řada zajímávých výsledků:

Příliš vysoká populace

Pokud "naženeme" na pastvu příliš vysoký počet krav nebo ovcí, výsledek je vždy stejný. Dojde k rychlé konzumaci všeho dostupného a zvířata vymřou. Stejný scénář nastane, pokud zvířatům dovolíme se rozmnožovat. V modelu chybí predátor, a tak dojde k náhle populační explozi a následnému vyhynutí.

                   -Typický scénář příliš vysoké populace

Zajímavý je ovšem scenář, pokud jsou stavy ostatních zvířat nízké nebo nulové, ale nachází se v modelu vysoký počet koz. Pokud je v modelu o velikosti 16x16 polí přibližně 300 až 345 koz, dojde k zajímavé situaci. Většina krav a zejména ovcí vymře. Kozy však dosáhnou toho, že změní přibližně třetinu políček v erodovanou, neúrodnou půdu a jejich počet klesne přibližně na 40% původní hodnoty, následně však dojde k nastolení rovnováhy a kozí populace je v tomto stavu schopna dlouhodobě přežít. Tento scénář funguje i v případě, že je zvířatům dovoleno se rozmnožovat, což je pozoruhodné, zejména vzhledem k absenci predátora v modelu.

Případ příliš vysokého počtu koz

Malý vs. velký počet krav

Dalším, poměrně zajímavým zjištěním je vstah mezi nižším množstvím krav a množstvím středně vysokým. Pokud tedy uvažujeme plochu 16x16 polí, 10 krav si povede stejně jako krav 40. Povedou si tak, že jen některé budou dobře napasené, zatímco většina bude "pouze" zdravá.

Pravděpodobně je to tím, že počet deseti krav je příliš malý - krávy tedy mají možnost si vybrat jen to, co mají nejradši. Spasou tedy pouze jednoleté rostliny, zatímco víceleté mají možnost volně růst a omezují tak možnosti růstu právě rostlin jednoletých. Naopak 40 krav už je těsně pod hranicí vyhynutí, neboť u většiny jedoleté trávy dojde k totálnímu spasení a víceleté, které zbydou nemají pro krávy takovou energetickou hodnotu.

Symbiotický vztah krav a ovcí

Výše je použit pro srovnání počet 44 krav. Počet převyšující číslo 45 však za stávajících podmínek modelu eventuelně vede k vymření. Pokud však ke stejnému počtu přidáme zhruba 20 ovcí, zřejmě dojde k rovnoměrnějšímu spasení a následně dorůstání jak jednoletých, tak víceletých rostlin. Dojde tak k lepšímu stavu jak zvířat, tak pastviny.

Závěr

Model sice postrádá predátory, ale i tak se z něj dají vyčíst zajímavé informace. Model má i nadále jisté možnosti pro další rozšíření. Například o další druhy zvířat nebo širší okruh podmínek. Naneštěstí se nepodařilo najít žádný zlatý rovnovážný stav mezi počty jednotlivých druhů zvířat, ale je možné, že ani žádný neexistuje. Také by bylo vhodné, kdyby se objevili nějaké přesnější informace potřebné k základu modelu ze strany vědecké komunity. Současná data jsou v tomto ohledu více než neúplná a často velice odlišná.

Kód

File:.PastvinaXREIJ15V3.tmp.nlogo

Obrázky

Případ deseti krav

Případ čtyřiačtyřiceti krav

Případ dlouhodobě prospívajících zvířat, ale s horším stavem půdy