Pengembangan Model Ekologi KVT v1.0 untuk Penilaian Spesies Mamalia Kunci Penentu Kekokohan Ekosistem

Abstract

Jaringan interaksi antar spesies seperti predasi, kompetisi, dan simbiosis memainkan peran penting dalam kekokohan suatu ekosistem. Diantara spesies-spesies tersebut, akan terdapat beberapa spesies yang memiliki peran lebih signifikan bagi stabilitas dan keberlanjutan ekosistem dibandingkan spesies lainnya. Jaringan interaksi ini dapat dijelaskan dengan model ekologi. Model dapat menyederhanakan sistem ekologi yang kompleks, sehingga dapat diperoleh pemahaman yang sesuai dengan tujuannya dan dapat memprediksi. Tujuan utama penelitian ini adalah mengembangkan kerangka kerja pemilihan spesies mamalia kunci bagi kekokohan ekosistem melalui analisis kuantitatif tingkatan tropik dan jejaring makanan. Adapun tujuan-tujuan antara untuk mencapai tujuan utama tersebut adalah 1) mengembangkan model tingkatan tropik yang dapat digunakan untuk menilai peran dan hubungan peubah-peubah karakteristik spesies mamalia yang menentukan kekokohan suatu ekosistem, 2) menyeleksi dan mengformulasikan peubah-peubah karakteristik spesies mamalia sebagai kriteria dan indikator penilaian spesies mamalia kunci dalam suatu ekosistem, dan 3) menentukan spesies kunci dan kekokohan (robustness) jejaring makanan pada berbagai tipe ekosistem melalui analisis jejaring dan keluaran model tropik yang dikembangkan dalam penelitian ini Pengembangan model KVT v1.0 menggunakan landasan teori ekologi yang menekankan pada interaksi antara spesies dan lingkungan, konsep aliran energi dan jejaring makanan. Model menggunakan pendekatan hybrid yang menggabungkan metode mekanistik, statistik, pembelajaran mesin dan sistem basisdata. Algoritma model disusun menggunakan diagram forester yang diterjemahkan dalam bahasa pemrograman komputer. Basisdata model memuat informasi tentang karakteristik morfologi, fenologi dan fisiologi spesies mamalia yang dihimpun dari berbagai sumber. Masukan model terdiri atas data kehadiran spesies, lokasi centroid geografis, luas dan jenis tutupan lahan. Keluaran model terdiri atas kuantifikasi nilai kunci spesies dalam ekosistem, pertumbuhan biomassa ekosistem, dinamika daya dukung dan alokasi biomassa ekosistem untuk spesies mamalia, interaksi pemangsaan, komposisi pakan, dan dinamika populasi spesies. Seluruh keluaran model dalam bentuk numerik. Validasi model menggunakan dua pendekatan, yaitu (i) kesesuaian dengan teori dan konsep yang dijadikan acuan dalam model ini, dan (ii) membandingkatan data keluaran model dengan nilai referensi. Pendekatan pertama dilakukan dengan analisis perubahan ketersedian energi dan biomassa pada setiap tingkatan tropik mulai dari produser sampai dengan konsumen level ke-n sebagai respon dari perubahan tutupan lahan. Hasilnya menunjukkan kesesuaian dengan teori, salah satunya adalah pertumbuhan biomassa vegetasi mencapai tingkat pertumbuhan klimaks dan stabil setelah tahun tertentu. Validasi nilai keluaran model terhadap nilai referensi menunjukkan bahwa model mampu memprediksi nilai kepadatan populasi untuk sebagian besar spesies di setiap lokasi. Kesalahan relatif kurang dari 60% untuk seluruh kelompok ekosistem dihasilkan dari 69% ± 3% data. Nilai RMSE kurang dari < 2 ind/km2 dihasilkan dari 45 ± 3% data dan menjadi 70 ± 3% data saat RMSE < 6 ind/km2. Nilai MAPE tingkatan model layak digunakan (??50%) diperoleh dari 63 ± 3% data. Pada tingkatan sangat baik adalah 21± 1% dan baik adalah 41 ± 3%. Validasi menggunakan NSE menunjukkan 69.2 % dari keseluruhan hasil model memiliki nilai antara 0.8 – 1. Hal ini berarti nilai hasil keluaran model mendekati dan atau sama dengan nilai referensi sehingga layak digunakan. Hasil keluaran model menunjukkan peubah-peubah karakteristik spesies mamalia memiliki peran signifikan dalam kestabilan aliran energi dalam ekosistem. Pertubasi peubah-peubah seperti berat tubuh, jenis diet, homerange, jumlah anakan, usia minimum melahirkan, basal metabolisme rate dan preferensi habitat (arboreal/ground) dapat merubah dinamika ketersedian dan kebutuhan energi untuk spesies dalam ekosistem per satuan waktu. Saat kebutuhan biomassa melampaui ketersediannya, maka ekosistem akan mengalami tekanan ekologis (ecological stress/ES) dan beberapa spesies mengalami penurunan populasi. Pertubasi peubah karakteristik dapat mempercepat/memperlambat waktu kejadian ES dan frekuensi kejadiannya yang disertai dengan perubahan komposisi spesies dan indeks keanekaragaman hayati. Kriteria dan indikator tersebut dapat disederhanakan dengan mengformulasikan peubah-peubah karakteristik sebagai satu persamaan nilai kunci (Kv) spesies dalam ekosistem. Nilai Kv menunjukkan peran spesies dalam kestabilan dan keberlanjutan ekosistem. Semakin tinggi nilai Kv, maka spesies tersebut memiliki peran paling tinggi atau menjadi kunci bagi kestabilan dan keberlanjutan aliran energi dalam ekosistem. Setiap ekosistem memiliki spesies mamalia kunci yang berbeda berdasarkan pada ketersedian biomassa dan kehadiran jumlah spesies. Spesies dengan nilai Kv tinggi pada semua ekosistem umumnya didominasi oleh mamalia dari famili Muridae, Sciuridae, Tupaiidae, Ptilocercidae, Hystricidae, Viverridae dan Herpestidae. Peran-peran kunci spesies mamalia dalam stabilitas dan keberlanjutan dalam ekosistem dapat dijelaskan melalui nilai centralitas dalam analisis sistem jejaring makanan. Ukuran centralitas yang digunakan adalah degree, closesness, betweness, dan eigenvektor. Bobot nilai setiap node dan edge setiap spesies menggunakan nilai Kv hasil model KVT v1.0. Integrasi centralitas ini juga menunjukkan kekokohan jejaring makanan suatu ekosistem (robustness). Ekosistem yang berbeda akan memiliki spesies kunci yang berbeda. Spesies kunci di ekosistem semak belukar didominasi oleh spesies-spesies pemangsa mamalia, baik dari tingkatan tropik karnivora maupun omnivora. Sedangkan pada ekosistem hutan, perkebunan/hutan tanaman dan campuran, spesies kunci didominasi oleh spesies yang berperan sebagai penghubung yang menjamin keberlanjutan aliran energi dalam ekosistem pada tingkatan tropik herbivora dan omnivora dengan ukuran badan yang relatif lebih kecil dibandingkan pemangsanya. Ekosistem semak belukar adalah ekosistem paling kokoh dalam aspek stabilitas dan keberlanjutan ekosistem dibandingkan dengan ekosistem lainnya. Setelah itu adalah ekosistem campuran (hutan, perkebunan dan semak belukar dengan komposisi yang seimbang), ekosistem hutan dan terendah adalah ekosistem perkebunan dan hutan tanaman. Model KVT v1.0 telah membuktikan keandalannya dalam memprediksi dinamika populasi dan stabilitas ekosistem berdasarkan karakteristik morfologi dan fenologi spesies mamalia. Penelitian ini memberikan kontribusi penting dalam memahami interaksi kompleks antara mamalia dan lingkungannya, serta menyediakan pendekatan baru untuk mengidentifikasi spesies kunci dalam ekosistem. Sebagai saran, penelitian lebih lanjut dapat dilakukan untuk mengembangkan dan memperbaiki model yang melibatkan taxa selain mamalia.

Interactions among species, including predation, competition, and symbiosis, plays a crucial role in the resilience of an ecosystem. Within this network, certain species hold more significant roles for the stability and sustainability of the ecosystem compared to others. Such interaction networks can be described using ecological models. These models simplify complex ecological systems, facilitating an understanding aligned with specific research objectives and enabling predictive insights. The main objective of this study is to develop a framework for selecting key mammalian species that contribute to ecosystem resilience through quantitative analysis of trophic levels and food webs. To achieve this main objective, the study sets the following specific goals: 1) to develop a trophic level model that can assess the roles and relationships of mammalian species characteristics that contribute to ecosystem resilience, 2) to select and formulate characteristic variables of mammalian species as criteria and indicators for evaluating key species within an ecosystem, and 3) to identify key species and the robustness of food webs across various ecosystem types through network analysis and outputs from the trophic model developed in this research. The development of the KVT v1.0 model is grounded in ecological theory, emphasizing species-environment interactions, energy flow concepts, and food web dynamics. The model employs a hybrid approach that combines mechanistic, statistical, machine learning, and database system methods. Model algorithms are structured using forester diagrams, translated into computer programming languages. The model database contains information on mammalian species' morphological, phenological, and physiological characteristics gathered from various sources. Model inputs include species presence data, geographic centroid locations, land cover types, and area. Model outputs consist of quantifying species' key values within ecosystems, ecosystem biomass growth, carrying capacity dynamics, biomass allocation for mammalian species, predation interactions, dietary composition, and species population dynamics. All model outputs are presented in numerical form. The model validation employs two approaches: (i) consistency with the theoretical framework and concepts underlying the model, and (ii) comparison of model output data with reference values. The first approach involves analyzing changes in energy availability and biomass across each trophic level, from producers to n-level consumers, in response to land cover changes. Results indicate consistency with theory, including vegetation biomass growth reaching a climax and stabilizing after a certain period. Validation of model outputs against reference values shows that the model can predict population density for most species at each location, with a relative error of less than 60% derived from 69% ± 3% of the data. An RMSE of less than <2 individuals/km² is achieved for 45 ± 3% of the data, increasing to 70 ± 3% when RMSE <6 individuals/km². The model's MAPE indicates acceptable performance (=50%) from 63 ± 3% of the data, with very good performance at 21 ± 1% and good performance at 41 ± 3%. Validation using NSE reveals that 69.2% of model results have values between 0.8 and 1, indicating that the model output closely approximates or matches the reference values, making it suitable for application. The model outputs indicate that mammalian species characteristic variables play a significant role in the stability of energy flow within ecosystems. Perturbations in variables such as body weight, diet type, home range, litter size, minimum reproductive age, basal metabolic rate, and habitat preference (arboreal/ground) can alter the dynamics of energy availability and demand for species within the ecosystem per unit time. When biomass demand exceeds availability, the ecosystem experiences ecological stress (ES), leading to population declines for certain species. Perturbations in these characteristic variables can accelerate or delay the occurrence of ES and its frequency, accompanied by shifts in species composition and biodiversity index. These criteria and indicators can be simplified by formulating characteristic variables into a single key value (Kv) equation representing a species’ role within the ecosystem. The Kv value reflects the species' contribution to ecosystem stability and sustainability. Higher Kv values indicate a species with a greater or key role in maintaining the stability and continuity of energy flow within the ecosystem. Each ecosystem has different key mammalian species depending on biomass availability and species presence. Species with high Kv values across ecosystems are typically dominated by mammals from the families Muridae, Sciuridae, Tupaiidae, Ptilocercidae, Hystricidae, Viverridae, and Herpestidae. The key roles of mammalian species in ecosystem stability and sustainability can be explained through centrality values in food web network analysis. The centrality measures used include degree, closeness, betweenness, and eigenvector. Each species' node and edge weights are based on the Kv values derived from the KVT v1.0 model. This integration of centrality measures also indicates the robustness of an ecosystem’s food web. Different ecosystems exhibit different key species. In shrubland ecosystems, key species are primarily mammalian predators from both carnivorous and omnivorous trophic levels. In contrast, in forest, plantation/forest plantation, and mixed ecosystems, key species are typically connectors that ensure the continuity of energy flow at the herbivorous and omnivorous trophic levels, with relatively smaller body sizes than their predators. Shrubland ecosystems exhibit the highest robustness in terms of stability and sustainability, followed by mixed ecosystems (with a balanced composition of forest, plantation, and shrubland), forest ecosystems, and lastly, plantation and forest plantation ecosystems. The KVT v1.0 model has demonstrated its reliability in predicting population dynamics and ecosystem stability based on the morphological and phenological characteristics of mammalian species. This study makes a significant contribution to understanding the complex interactions between mammals and their environment, and provides a novel approach for identifying key species within ecosystems. For future research, further model development and refinement are recommended to include taxa beyond mammals.