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Verwendungszweck

Persefone.jl ist ein mechanistisches Modell sozial-ökologischer Systeme in der Landwirtschaft in Europa. Es simuliert landwirtschaftliche Praxis, Pflanzenwachstum und Artenvielfalt auf der Landschaftsebene.

Die Ziele des Modells sind:

  • unser Verständnis von Biodiversitätsdynamiken in Agrarlandschaften zu vertiefen,
  • Interaktionen zwischen politischen, wirtschaftlichen und ökologischen Prozessen zu erforschen,
  • (sozial-)ökologische Konsequenzen politischer Entscheidungen zu evaluieren.

Zu diesem Zweck stellt Persefone.jl eine Sammlung von Modellen von Landwirtschaftsbetrieben, Nutzpflanzen und Wildtierarten zur Verfügung. Diese können einfach für neue Simulationsexperimente genutzt werden. Das Modell ist konzipiert, um leicht anpassbar zu sein und bietet eine Open-Source Plattform, die von Modellierern zu ihren eigenen Zwecken weiterentwickelt werden kann.

Persefone.jl ist noch in Entwicklung. Eine erste Version soll im Herbst 2024 veröffentlicht werden.

A field of ripe grain in Thuringia, © Daniel Vedder

Bestandteile

Persefone.jl beinhaltet eine Sammlung von Teilmodellen, um die verschiedenen Komponenten landwirtschaftlicher sozio-ökologischer Systeme zu simulieren:

Landwirtschaftsbetriebe

In der ersten Version wird Persefone.jl typische Fruchtfolgen in verschiedenen Regionen Deutschlands abbilden. Jede Fruchtfolge wird dabei begleitet von passenden Managementpraktiken, wie Bodenbearbeitung, Düngung, Pestizideinsatz und Ernte. Diese Standardprozesse werden beeinflusst durch einstellbare Politikszenarien (z.B. neue Regelungen oder Subventionen).

In späteren Versionen werden wir das Modell erweitern, um die komplexen Prozesse landwirtschaftlicher Entscheidungsfindung realistischer zu modellieren. Dieses erweiterte Modell wird den ökonomischen, sozialen, ökologischen und regulatorischen Kontext berücksichtigen, in dem Landwirt:innen Entscheidungen treffen. Somit kann die Reaktion landwirtschaftlicher Betriebe auf politische oder wirtschaftliche Änderungen abgeschätzt werden, sowie deren Auswirkungen auf Agrarlandschaften und -ökosysteme.

Nutzpflanzenwachstum

Das Modell simuliert das Wachstum mehrerer europäischer Nutzpflanzenarten basierend auf realen Wetterdaten und den Managementpraktiken der Landwirt:innen. Hierzu werden zwei verschiedene Pflanzenwachstumsmodelle verwendet: Ein einfaches aus dem ökologischen Modell ALMaSS , sowie ein detaillierteres, von der FAO entwickeltes Modell, "AquaCrop" .

Indikatorarten

Persefone.jl beinhaltet individuen-basierte Modelle mehrere Tierarten, die als Indikatorarten für Agrarökosysteme bekannt sind. Jedes Artenmodell simuliert Prozesse wie Fortpflanzung, Ausbreitung und Nahrungssuche.

Die erste Version wird folgende Artenmodelle beinhalten:

  • Vögel: Feldlerche (Alauda arvensis), Goldammer (Emberiza citrinella), Rotmilan (Milvus milvus)
  • Schmetterlinge: Großes Ochsenauge (Maniola jurtina), Kleines Wiesenvögelchen (Coenonympha pamphilus)

Später werden zusätzlich Populationsmodelle wichtiger funktioneller Typen von Insekten hinzugefügt werden (z.B. Bestäuber, Schädlinge, natürliche Fressfeinde).

A valley in the Hohenlohe region of Germany, © Daniel Vedder

Anwendung

Persefone Desktop screenshot

Persefone.jl ist hauptsächlich dazu gedacht, auf einem Hochleistungsrechner (HPC) verwendet zu werden, da die Simulation einer großen Anzahl von Individuen hohe Anforderungen an die Rechenkapazität stellt. Daher ist das Modell in erster Linie dazu konzipiert, über die Kommandozeile verwendet zu werden (z.B. in der Linux Shell oder der Julia REPL). Um große Simulationsexperimente einfacher zu machen, unterstützt das Modell Parallelisierung und die automatische Aufsetzung von “full-factorial” Experimenten.

Für explorative Simulationen steht jedoch auch eine graphische Benutzeroberfläche (GUI) zur Verfügung, die auf einem PC laufen kann. Persefone Desktop kann verwendet werden, um die Funktionsweise des Modells zu erkunden, neue Einstellungen auszuprobieren oder bei der Entwicklung zu helfen. Mit dieser Benutzeroberfläche kann die Simulation angehalten, vor- und zurückgespult werden und die Modelllandschaft in Echtzeit untersucht werden (siehe Bildschirmfoto oben).

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Veröffentlichungen

Publikationen mit Relevanz für Persefone.jl:

  • Vedder, D., Rakowski, J., Kolb, L., Theilen, G., Lakner, S., Pe’er, G. (in review) Missing bridges between ecological and economic agent-based models of agriculture.
  • Vedder, D., Fischer, S. M., Wiegand, K., & Pe’er, G. (2024). Developing multidisciplinary mechanistic models: Challenges and approaches. Socio-Environmental Systems Modelling, 6, 18701. doi:10.18174/sesmo.18701
  • Cabral et al. (2023). The road to integrate climate change projections with regional land-use–biodiversity models. People and Nature. doi:10.1002/pan3.10472
  • Vedder, D., Ankenbrand, M., & Cabral, J. S. (2021). Dealing with software complexity in individual-based models. Methods in Ecology and Evolution, 12(12), 2324–2333. doi:10.1111/2041-210X.13716

Publikationen zu Persefone.jl:

  • Vedder et al. (in preparation) Persefone.jl: evaluating biodiversity effects of agricultural policy and practice.

Wenn Sie Persefone.jl erweitern oder modifizieren, halten Sie sich bitte an die Bestimmungen der MIT Lizenz.

Team

Project and institutional logos

Persefone.jl wird als Teil des Forschungsprojekts “CAP4GI - GAP für vielfältige Landschaften ” entwickelt. Dieses Projekt bringt Ökologen, Ökonomen, Umweltorganisationen und Landwirt:innen zusammen, um Empfehlungen für die Europäische Agrarpolitik zu erarbeiten. Es wird finanziert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Forschungsinitiative zum Erhalt der Artenvielfalt (FEdA .

Das Modell wird entwickelt von Wissenschaftler:innen am Helmholtz Zentrum für Umweltforschung - UFZ und dem Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig .

A field of green grain in Thuringia, © Daniel Vedder

Alle Bilder © Daniel Vedder.