Wskaźnik Shannon , również znane w literaturze jako Shannon-Weaver, stosowany jest do określenia konkretnego różnorodności biologicznej. Do jego przedstawienia używany jest symbol H ', a jego wartości oscylują między liczbami dodatnimi, zwykle między 2, 3 i 4. W literaturze ten wskaźnik jest jednym z najpopularniejszych do pomiaru bioróżnorodności.
Wskaźnik uwzględnia liczbę gatunków, które istnieją w próbie i względną liczbę osobników dla każdego z gatunków. Oznacza to, że kontempluje bogactwo i obfitość gatunku.
Źródło: pixabay.com
Ponieważ formuła używana do obliczania zawiera logarytm, nie ma maksymalnej wartości indeksu. Jednak minimalna wartość wynosi zero, co wskazuje na brak różnorodności - stan, który istnieje na przykład w monokulturze, gdzie występuje tylko jeden gatunek.
Wartości mniejsze niż 2 są interpretowane jako ekosystemy o stosunkowo małej różnorodności gatunkowej, podczas gdy wartości większe niż 3 są wysokie. Regiony pustynne to przykłady niezbyt zróżnicowanych ekosystemów.
Z kolei lasy tropikalne i rafy to ekosystemy o dość dużej różnorodności biologicznej gatunków.
Perspektywa historyczna
Indeks Shannona został zaproponowany przez Claude'a Elwooda Shannona (1916-2001) w celu znalezienia miary, która mogłaby określić ilościowo entropię. Ten badacz był matematykiem i inżynierem elektrykiem, pochodzącym ze Stanów Zjednoczonych.
Istnieje pewne zamieszanie z rzeczywistą nazwą indeksu. Pełna nazwa to indeks Shannon-Weiner. Jednak w wielu przypadkach autorzy nazywają to indeksem Shannona-Weavera.
Ten błąd powstał po części dlatego, że Claude Shannon kilkakrotnie współpracował z matematykiem Warrenem Weaverem.
Definicja
Różnorodność to jeden z najważniejszych parametrów stosowanych do opisu ekosystemów.
Indeks Shannona to indeks, który ma na celu zmierzenie różnorodności gatunków, biorąc pod uwagę ich jednolitość. Jest to zastosowanie teorii informacji i opiera się na założeniu, że większa różnorodność odpowiada większej niepewności w losowym wyborze określonego gatunku.
Innymi słowy, indeks określa jednolitość wartości ważności dla wszystkich gatunków w próbce.
Może przyjmować następujące wartości minimalne i maksymalne: zero oznacza, że istnieje tylko jeden gatunek, a logarytm S (całkowita liczba gatunków w próbce) oznacza, że wszystkie gatunki są reprezentowane przez tę samą liczbę osobników.
Załóżmy, że mamy hipotetyczny ekosystem z tylko dwoma gatunkami. Pomyślmy też, że mają one tę samą częstotliwość (są równe). Zatem niepewność wynosi 50%, ponieważ obie alternatywy są jednakowo możliwe.
Identyfikacja, która daje pewność, to jednostka informacji zwana „bitem”. Jeśli mamy na przykład cztery równoważne gatunki, różnorodność będzie wynosić dwa bity.
Formuła
Matematycznie obliczamy indeks Shannona za pomocą następującego wyrażenia:
W wyrażeniu wskaźnika zmienna pi reprezentuje proporcjonalną liczebność gatunków i, obliczoną jako sucha masa gatunku, podzielona z kolei przez całkowitą suchą masę próbki.
W ten sposób wskaźnik określa ilościowo niepewność w przewidywaniu tożsamości gatunku osobnika, która jest pobierana losowo z próbki.
Ponadto, podstawa logarytmu użytego w wyrażeniu może być dowolnie wybrana przez badacza. Sam Shannon omówił logarytmy o podstawie 2, 10 ie, gdzie każdy odpowiadał innym jednostkom miary.
Zatem jednostkami są cyfry binarne lub bity, cyfry dziesiętne i cyfry naturalne, odpowiednio dla podstaw 2, 10 i e.
Korzyść
Indeks Shannona jest jednym z najczęściej stosowanych w badaniach ekologicznych, ponieważ jego zastosowanie ma pewne zalety w porównaniu z innymi względnie popularnymi wskaźnikami różnorodności.
Po pierwsze, wielkość próby nie wpływa znacząco na indeks. W kilku badaniach starano się ustalić wpływ wielkości próby i stwierdzono, że rzeczywiście wielkość próby ma bardzo niewielki wpływ na pomiary różnorodności gatunków.
Po drugie, zastosowanie indeksu prowadzi do uchwycenia dużej ilości informacji w jednym wyrażeniu matematycznym. Jest to bardzo przydatna funkcja, jeśli chcesz przekazać znaczną ilość informacji szerokiemu gronu odbiorców.
Ponadto umieszczenie indeksu „w kontekście” ma kluczowe znaczenie dla jego interpretacji. Pierwsza część polega na rozpoznaniu wartości maksymalnych i minimalnych, które zwraca. W indeksie Shannona łatwo zauważyć, że maksimum odpowiada Log S, gdzie S to bogactwo, a minimum to 0.
Jednolitość
Indeks Shannona opiera się na bardzo istotnym pojęciu w ekologii: jednolitości. Ten parametr odnosi się do stopnia, w jakim gatunki są reprezentowane w całej próbce.
Ekstrema obejmują pojedynczy gatunek dominujący i inne gatunki występujące w bardzo małej liczbie (wartości jednorodności bliskie 0), do wszystkich gatunków reprezentowanych przez równe liczby (wartości jednorodności bliskie 1).
Jednolitość odgrywa fundamentalną rolę w ekologicznej analizie różnorodności. Na przykład w bardziej jednolitych społecznościach indeks Shannona staje się bardziej wrażliwy na bogactwo.
Możliwość zastosowania
Wskaźniki różnorodności są szeroko stosowane w monitoringu, z punktu widzenia ekologii i ochrony gatunków zagrożonych.
Wskaźniki różnorodności gatunków mają tę szczególną cechę, że podsumowują dużą i ważną ilość danych, które można wykorzystać do wnioskowania o cechach populacji.
Wskaźnik ten został wykorzystany do zbadania różnych skutków zakłóceń i stresu na różnorodność społeczności, zarówno zwierząt, jak i roślin, ponieważ dostarcza złożonych informacji w oparciu o liczbę gatunków i jednolitość.
Wreszcie związek między różnorodnością ekosystemów a ich odpornością był przedmiotem szerokiej debaty. Niektóre badania potwierdziły to podejście.
Bibliografia
- Gliessman, SR (2002). Agroekologia: procesy ekologiczne w rolnictwie zrównoważonym. CATIE.
- Núñez, EF (2008). Systemy leśno-pastwiskowe utworzone z Pinus radiata D. Don i Betula alba L. w Galicji. Uniwersytet Santiago de Compostela.
- Jorgensen, SE (2008). Encyklopedia ekologii, pod redakcją Svena Erika Jorgensena, Briana D. Fatha.
- Kelly, A. (2016). Opracowanie miar równości, różnorodności i konkurencji: nowe środki dla szkół i uniwersytetów. Routledge.
- Pal, R. i Choudhury, AK (2014). Wprowadzenie do fitoplanktonów: różnorodność i ekologia. Skoczek.
- Pla, L. (2006). Bioróżnorodność: wnioskowanie na podstawie wskaźnika Shannona i bogactwa. Interciencia, 31 (8), 583–590.
- Pyron, M. (2010) Charakterystyka społeczności. Wiedza o edukacji przyrodniczej 3 (10): 39