VIUrb-7: A Dynamic Coupled ODE Model for Urban Tree Biomass and Allometric Prediction in Tropical Biomes

تخيل المدينة ككائن حي ضخم وصاخب. تماماً كما يحتاج جسم الإنسان إلى الأكسجين والماء ودرجة حرارة مريحة ليبقى بصحة جيدة، تحتاج الأشجار التي تصطف في شوارعنا إلى نفس الأشياء لتنمو. لكن المدن أماكن مخادعة بالنسبة للنباتات؛ فبدلاً من التربة الناعمة والعميقة، غالباً ما تضطر جذورها لاختراق تربة صلبة ومضغوطة تحت الأرصفة الخرسانية. وبدلاً من النسيم اللطيف، تواجه الحرارة المحتبسة بفعل المباني والتلوث الناتج عن السيارات. في عالم العلوم، يستخدم الباحثون "معادلات القياس الحيوي" (allometric equations) — وهي في الأساس وصفات رياضية — لتخمين الحجم الذي ستصل إليه الشجرة بناءً على عرضها وطولها. لفترة طويلة، كُتبت هذه الوصفات للأشجار التي تنمو في الغابات البرية الطبيعية. وعندما حاول العلماء استخدام تلك "وصفات الغابات" نفسها لأشجار المدن، كانت التخمينات غالباً بعيدة تماماً عن الواقع، مثل محاولة التنبؤ بأداء عداء ماراثون في سباق قصير (سبرينت). هذا الأمر مهم لأننا إذا لم نكن نعرف حجم وصحة أشجار مدننا، فلن نتمكن من التخطيط لكمية الكربون التي ستمتصها أو مقدار الظل الذي ستوفره لتبريد أحياءنا.

هنا يظهر VIUrb-7، وهو نموذج رقمي ذكي للغاية مصمم خصيصاً للأشجار التي تعيش في المدن البرازيلية. فكر في هذا النموذج ليس كوصفة بسيطة، بل كـ محاكاة للعبة فيديو مكونة من خمسة أجزاء تعمل داخل الكمبيوتر. في هذه اللعبة، تمتلك كل شجرة خمس "إحصائيات" خفية تتغير كل يوم: عرض جذعها، ومستوى الإجهاد الذي تشعر به، وحيويتها العامة (أو مستوى طاقتها)، وعدد الجراثيم أو المسببات المرضية التي تهاجمها، ومدى "قدرتها على الصمود" (أي مدى قدرتها على التعافي).

يقدم البحث هذا النموذج، الذي يستخدم مجموعة من خمس معادلات رياضية مترابطة (تسمى المعادلات التفاضلية العادية المقترنة) لتمثيل حياة الشجرة بمرور الوقت. لم يقم الباحث بمجرد تخمين القواعد؛ بل بنى محرك اللعبة باستخدام بيانات من العالم الحقيقي لـ 18 نوعاً مختلفاً من الأشجار الأصلية الموجودة عبر ستة مناظر طبيعية برازيلية مختلفة، من غابات الأمازون الرطبة إلى أراضي "الكاتينجا" القاحلة. لقد غذّى النموذج بـ 25 نقطة بيانات حقيقية من دراسات سابقة، مما علم الكمبيوتر في الأساس كيف تبدو هذه الأشجار فعلياً في أعمار مختلفة داخل المدن.

النتائج المستخلصة من هذه المحاكاة مفاجئة للغاية مقارنة بالطرق القديمة. فعندما اختبر الباحث VIUrb-7 مقابل "نماذج الغابات" الكلاسيكية، كان الفرق هائلاً. كانت النماذج القديمة تخطئ بهامش كبير، حيث تراوحت الأخطاء بين 83% و92%. تخيل أن تخمن أن وزن شجرة هو 100 كجم بينما هي في الواقع تزن 50 كجم؛ هذا هو نوع الخطأ الذي كانت ترتكبه النماذج القديمة. في المقابل، نجح نموذج VIUrb-7 الجديد في تحديد الكتلة الحيوية (الوزن الإجمالي للشجرة) بدقة، بهامش خطأ متوسط قدره 4.7% فقط. لقد كان دقيقاً جداً لدرجة أن الخطأ في بعض الأنواع كان قريباً من الصفر.

ومع ذلك، يوضح البحث بحذر أن هذا ليس كرة بلورية سحرية تتنبأ بالمستقبل بشكل مثالي. فالنموذج هو محاكاة تعتمد على بيانات محددة تم تدريبه عليها. وجد الباحث أن النموذج يعمل بشكل أفضل عندما تتوفر له نقاط بيانات متعددة لنوع واحد ليتعلم منها. وبالنسبة للأشجار التي لم يتوفر لها سوى نقطة أو نقطتين من البيانات، ظل أداء النموذج جيداً، لكن عملية "التخمين" كانت أكثر عدم يقين. كما حدد الباحث نقاط ضعف محددة: إذ يواجه النموذج أحياناً صعوبة في التنبؤ بمدى سرعة تعافي الشجرة بعد موجة جفاف شديدة، ويمكنه أيضاً التقليل قليلاً من حجم الأشجار التي تنمو في الشتاءات الباردة جداً أو المبالغة في تقدير حجمها في المناطق الجافة وشبه القاحلة.

ولجعل هذه الأداة مفيدة للجميع، قام المؤلف ببناء موقع إلكتروني تفاعلي مجاني. يمكنك اختيار مدينة من الخريطة، وسيقوم النموذج باستخدام بيانات الطقس وجودة الهواء في الوقت الفعلي لإظهار كيف يمكن لمختلف الأشجار أن تنمو هناك على مدار الـ 30 عاماً القادمة. إنه يشبه "توقعات طقس الأشجار" لمخططي المدن. وبينما يعد نموذج VIUrb-7 خطوة متقدمة في فهم الغابات الحضرية في البرازيل، يعترف المؤلف بأن العمل لم ينتهِ بعد. فهو يقترح أن الإصدارات المستقبلية تحتاج إلى المزيد من البيانات الواقعية لضبط القواعد بدقة، خاصة بالنسبة للأشجار في المناطق التي تفتقر حالياً للبيانات. ولكن في الوقت الحالي، يقدم VIUrb-7 صورة أكثر وضوحاً ودقة حول كيفية حال أشجار مدننا حقاً، مما يساعدنا في التخطيط لشوارع أكثر خضرة وصحة.