ECOLOGIA E CONSERVAZIONE DELLA NATURA

dal 1 novembre 2018 Corso di Laurea Magistrale in Ecologia ed Etologia per la Conservazione della Natura

MODELLISTICA AMBIENTALE

Docenti: 
LEONARDI Stefano
BODINI Antonio
Codice dell'insegnamento: 
10194*10425*2016*2012*9999
Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2017/2018
Settore scientifico disciplinare: 
ECOLOGIA (BIO/07)
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Lingua dell'insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Anche l’ecologia comincia ad avere un ruolo notevole nella soluzione di alcuni problemi della società moderna. Sapere quali sono i meccanismi di funzionamento di un ecosistema non ha più un solo valore conoscitivo di pura soddisfazione intellettuale, ma consente di predire quali saranno gli effetti sugli ecosistemi di svariati interventi umani. Questo fatto è particolarmente importante in quanto permette di gestire tali interventi razionalmente, in qualche caso anche impedendoli. Questo ruolo dell’ecologia si fa sempre più pressante, poiché la scala dello sfruttamento umano dell’ambiente naturale si va ingrandendo sempre più. Diverse catastrofi ecologiche, nel senso di collassi di importanti ecosistemi, si sono già verificate e hanno portato a conseguenze enormi, anche di tipo economico.
In questo corso ci proponiamo di analizzare il problema dello sfruttamento razionale delle risorse rinnovabili, valutando le potenziali conseguenze dell’intervento umano e del disturbo antropico sull’ambiente. Dal punto di vista metodologico si utilizzerà sistematicamente un approccio matematico-quantitativo incentrato sulla dinamica delle popolazioni, dal momento che le risorse rinnovabili, proprio perché tali, sono caratterizzate dall’avere una specifica dinamica temporale e distribuzione spaziale. Del resto, i meccanismi di retroazione e compensazione che contraddistinguono molti sistemi biologici sono talmente complessi che le possibili conseguenze del disturbo antropico sugli ecosistemi possono essere meglio comprese (almeno in alcuni casi) attraverso una rigorosa trattazione modellistico-matematica.
La parte introduttiva del corso riguarda i principi di dinamica delle popolazioni ed elementi di demografia animale. La parte centrale affronterà il problema dello sfruttamento razionale delle risorse rinnovabili e dello sviluppo di modelli bioeconomici e gestionali. L’ultima parte del corso verrà riservata alla trattazione di argomenti monografici relativi a problemi ecologici di tipo globale, al controllo biologico e parassitismo e/o ad altri argomenti intorno ai quali emergerà uno specifico interesse durante lo svolgimento del corso

L'obiettivo formativo del corso è di portare lo studente a conoscere i principali strumenti della modellistica ecologica e di saperli applicare ai vari contesti specifici, con particolare riguardo alla interpretazione dei meccanismi di causa ed effetto in sistemi complessi quali comunità ed ecosistemi.

Prerequisiti

nessun requisito formale ma è opportuno avere un minimo di conoscenze di matematica e algebra

Non ci sono pre-requisiti formali però è opportuno avere dimestichezza con il software R che si impara nel corso di Abilità informatiche e Analisi di Dati Ecologici. E’utile inoltre rinfrescare le nozioni di base del Corso di Matematica della triennale e un un minimo di alegbra matriciale.

Contenuti dell'insegnamento

Dinamica di popolazioni e gestione delle Risorse Naturali

Dinamica delle interazioni tra specie. Analisi dei network ecologici.

Programma esteso

Introduzione all’ecologia delle popolazioni e alla gestione delle risorse naturali Scopi e ambiti dell’ecologia e rapporti con le altre scienze. Importanza dell’approccio ecologico ai problemi dell’ambiente. Esempi di successi e fallimenti dell’intervento umano sul territorio.

Principi di dinamica delle popolazioni
Crescita malthusiana. Parametri di popolazione significativi e loro stima. Tabelle di natalità e mortalità. Tasso istantaneo di crescita. Distribuzione stabile d’età.
Elementi di demografia umana. Esplosione demografica: cause, conseguenze, politiche di controllo demografico.
Fattori limitanti la crescita di una popolazione. Autoregolazione di una popolazione. Competizione intraspecifica. Crescita logistica. Altri modelli di crescita con dipendenza da densità. Il caos deterministico.

Interazioni fra specie
Predazione. Equazione di Lotka-Volterra. Risposta funzionale del predatore. Semplici modelli di competizione interspecifica. Esclusione competitiva. Competizione per interferenza.

Introduzione alla gestione delle risorse rinnovabili
Lo stato della pesca e della caccia in Italia e nel mondo. Il problema del by-catch.
Esempi di sovrasfruttamento in ambiente marino e in ambiente terrestre. Definizione e misura dello sforzo di rimozione. Caratteristiche delle risorse naturali soggette a prelievo: rinnovabilità ed accesso libero.

Strumenti tecnici e/o amministrativi per la regolamentazione della caccia e della pesca
Metodi non esclusivi: quote totali, restrizione alla cattura (specie, taglia, sesso…), controllo della tecnologia e degli strumenti di rimozione, restrizione al tempo e al lungo del prelievo

Metodi esclusivi: concessione di licenze, quote allocate, strumenti finanziari (tasse e sussidi), fermo biologico. Alcuni obiettivi nello sfruttamento delle risorse rinnovabili: massimizzazione della quantità di biomassa rimossa nel lungo periodo; massimizzazione del profitto mantenibile; minimizzazione del rischio di estinzione.
Sfruttamento delle risorse con struttura di taglia e d’età: il caso del bosco
Sfruttamento di risorse a reclutamento costante
Il controllo adattativo
Analisi del rischio di estinzione

Altri temi di interesse per l’ecologia applicata
Flussi di energia e biomassa negli ecosistemi: aspetti applicativi. Produzione primaria e secondaria, reti alimentari, livelli trofici, efficienza ecologica.
Eutrofizzazione e gestione della qualità delle acque.
Rassegna e analisi delle cuase di perdite di biodiversità: distruzione e frammentazione degli habitat, invasione di specie esotiche, inquinamento, cambiamenti climatici, buco dell’ozono.
Controllo degli agenti infestanti

1I modelli in Ecologia
1.1Perchè usare i modelli in ecologia?
2Maximum likelihood
3Metodi Bayesiani
4Dinamica di Popolazioni
4.1Modelli indipendenti dalla densità
4.1.1Crescita continua e crescita discreta
4.1.2Assunzioni dei modelli indipendenti dalla densità
4.1.3Esempio di simulazione stocastica
4.2Modelli dipendenti dalla densità
4.2.1Crescita discreta dipendente dalla densità
4.2.2Crescita continua dipendente dalla densità
4.2.3Sfruttamento sostenibile delle popolazioni
4.3Modelli con struttura per età o dimensioni
4.3.1I cicli vitali
4.3.2Struttura per età della popolazione
4.3.3Life tables
4.3.4Dinamica dei Modelli strutturati per età o dimensioni
4.3.5Il Prodotto di Matrici
4.3.6Modelli strutturati per dimensioni
4.3.7Alcune quantità importanti
4.3.8Modelli di meta-popolazioni
4.3.9Simulazione stocastica del masting
4.3.10Dipendenza dalla densità
4.4Modelli per età continui
4.4.1Alcune definizioni utili
4.5Modelli per la competizione
4.5.1Il modello di Lotka-Volterra
4.6Modelli Preda-Predatore
4.6.1Il modello Preda-Predatore di Lotka-Volterra
5. Modelli qualitativi di sistemi complessi.
5.1. Modelli quantitativi vs modelli qualitativi.
5.2. Predizioni con con modelli qualitativi.
5.2.1. La risposta delle comunità alle perturbazioni. Il moving eqilibrium.
5.3 Metodi qualitativi per analisi lontano dall'equilibrio: il time averaging

Bibliografia

Libro di testo principale per le esercitazioni: R. Casagrandi, G. De Leo e M. Gatto. Centouno problemi di ecologia. Con CD-ROM. McGraw Hill. 2002
Libri di testo di riferimento per la parte di teoria ecologica: M. Gatto: Introduzione all’Ecologia delle Popolazioni. Clup, Milano 1985.
N.J.Gotelli: A Primer of Ecology . Sunderlandnt Sinauer 1998

A Primer of Ecology with R di M. Henry H. Stevens, Springer-Verlag 2009 Edizione (15 luglio 2009) Collana: Use R Lingua: Inglese ISBN-13: 978-038789881

M. Gatto: Introduzione all’Ecologia delle Popolazioni. Clup, Milano 1985.

A. Bodini, C. Bondavalli, S.Allesina: L'ecosistema e le sue relazioni. Franco Angeli 2007.

Metodi didattici

In questo corso lo studente apprenderà come da una descrizione verbale di un problema di interazione fra uomo e ambiente si può giungere ad una formulazione matematica che permette di valutare qualitativamente e quantitativamente l’effetto di lungo periodo di alcuni interventi di gestione delle risorse naturali, di esaminare la dinamica dei transitori, e di analizzare diversi scenari rispondendo a domande del tipo “what if” ovvero, “cosa succede se…”. Nelle esercitazioni si affronteranno una serie di casi di studio specifici.

La lezione frontale costituisce il pricipale strumento didattico. Ogni lezione è preceduta dalla distribuzione del matieriale didattico sotto forma di diapositive ppt, copie di articoli scientifici o porzioni di testi in cui sono presentati i concetti sviluppati nel corso. Le lezioni sono integrate da esercitazioni e simulazioni al calcolatore affinchè lo studente compia veri e propri esperimenti sui modelli e verifichi sia la consistenza della propria comprensione sia la capacità di contestualizzare l'uso dei vari strumenti modellistici. Il fine ultimo è di formare alla valutazione dei risultati dei modelli in base alla loro aderenza a dati misurati e non a opinioni o preconcetti.

Modalità verifica apprendimento

Esercitazioni svolte in classe, un paio di compitini, pre-appello e appelli scritto

Un esame scritto di ammissione all’orale.

Un orale basato su una presentazione di un’articolo scientifico di modellistica ecologica.

Per entrambe le prove la valutazione è condotta attraverso una griglia di valutazione i cui elementi fondamentali sono:
Conoscenza dei temi sviluppati durante il corso; padronanza delle abilità e degli strumenti di analisi proposti; capacità di rielaborare e organizzare i concetti in ottica integrata; capacità espositiva intesa come uso appropriato del linguaggio utilizzato nel corso (Italiano) e dei linguaggi tecnico scientifici proposti (inglese, linguaggi modellistici).

Altre informazioni