Evolutionary games on complex networks : the emergence and maintenance of cooperation

Abstract The object of game theory lies in the analysis of situations where different social actors have conflicting requirements and where their individual decisions will all influence the global outcome. In this framework, several games have been invented to capture the essence of various dilemmas encountered in many common important socio-economic situations. Even though these games often succeed in helping us understand human or animal behavior in interactive settings, some experiments have shown that people tend to cooperate with each other in situations for which classical game theory strongly recommends them to do the exact opposite. Several mechanisms have been invoked to try to explain the emergence of this unexpected cooperative attitude. Among them, repeated interaction, reputation, and belonging to a recognizable group have often been mentioned. However, the work of Nowak and May (1992) showed that the simple fact of arranging the players according to a spatial structure and only allowing them to interact with their immediate neighbors is sufficient to sustain a certain amount of cooperation even when the game is played anonymously and without repetition. Nowak and May's study and much of the following work was based on regular structures such as two-dimensional grids. Axelrod et al. (2002) showed that by randomizing the choice of neighbors, i.e. by actually giving up a strictly local geographical structure, cooperation can still emerge, provided that the interaction patterns remain stable in time. This is a first step towards a social network structure. However, following pioneering work by sociologists in the sixties such as that of Milgram (1967), in the last few years it has become apparent that many social and biological interaction networks, and even some technological networks, have particular, and partly unexpected, properties that set them apart from regular or random graphs. Among other things, they usually display broad degree distributions, and show small-world topological structure. Roughly speaking, a small-world graph is a network where any individual is relatively close, in terms of social ties, to any other individual, a property also found in random graphs but not in regular lattices. However, in contrast with random graphs, small-world networks also have a certain amount of local structure, as measured, for instance, by a quantity called the clustering coefficient. In the same vein, many real conflicting situations in economy and sociology are not well described neither by a fixed geographical position of the individuals in a regular lattice, nor by a random graph. Furthermore, it is a known fact that network structure can highly influence dynamical phenomena such as the way diseases spread across a population and ideas or information get transmitted. Therefore, in the last decade, research attention has naturally shifted from random and regular graphs towards better models of social interaction structures. The primary goal of this work is to discover whether or not the underlying graph structure of real social networks could give explanations as to why one finds higher levels of cooperation in populations of human beings or animals than what is prescribed by classical game theory. To meet this objective, I start by thoroughly studying a real scientific coauthorship network and showing how it differs from biological or technological networks using divers statistical measurements. Furthermore, I extract and describe its community structure taking into account the intensity of a collaboration. Finally, I investigate the temporal evolution of the network, from its inception to its state at the time of the study in 2006, suggesting also an effective view of it as opposed to a historical one. Thereafter, I combine evolutionary game theory with several network models along with the studied coauthorship network in order to highlight which specific network properties foster cooperation and shed some light on the various mechanisms responsible for the maintenance of this same cooperation. I point out the fact that, to resist defection, cooperators take advantage, whenever possible, of the degree-heterogeneity of social networks and their underlying community structure. Finally, I show that cooperation level and stability depend not only on the game played, but also on the evolutionary dynamic rules used and the individual payoff calculations. Synopsis Le but de la théorie des jeux réside dans l'analyse de situations dans lesquelles différents acteurs sociaux, avec des objectifs souvent conflictuels, doivent individuellement prendre des décisions qui influenceront toutes le résultat global. Dans ce cadre, plusieurs jeux ont été inventés afin de saisir l'essence de divers dilemmes rencontrés dans d'importantes situations socio-économiques. Bien que ces jeux nous permettent souvent de comprendre le comportement d'êtres humains ou d'animaux en interactions, des expériences ont montré que les individus ont parfois tendance à coopérer dans des situations pour lesquelles la théorie classique des jeux prescrit de faire le contraire. Plusieurs mécanismes ont été invoqués pour tenter d'expliquer l'émergence de ce comportement coopératif inattendu. Parmi ceux-ci, la répétition des interactions, la réputation ou encore l'appartenance à des groupes reconnaissables ont souvent été mentionnés. Toutefois, les travaux de Nowak et May (1992) ont montré que le simple fait de disposer les joueurs selon une structure spatiale en leur permettant d'interagir uniquement avec leurs voisins directs est suffisant pour maintenir un certain niveau de coopération même si le jeu est joué de manière anonyme et sans répétitions. L'étude de Nowak et May, ainsi qu'un nombre substantiel de travaux qui ont suivi, étaient basés sur des structures régulières telles que des grilles à deux dimensions. Axelrod et al. (2002) ont montré qu'en randomisant le choix des voisins, i.e. en abandonnant une localisation géographique stricte, la coopération peut malgré tout émerger, pour autant que les schémas d'interactions restent stables au cours du temps. Ceci est un premier pas en direction d'une structure de réseau social. Toutefois, suite aux travaux précurseurs de sociologues des années soixante, tels que ceux de Milgram (1967), il est devenu clair ces dernières années qu'une grande partie des réseaux d'interactions sociaux et biologiques, et même quelques réseaux technologiques, possèdent des propriétés particulières, et partiellement inattendues, qui les distinguent de graphes réguliers ou aléatoires. Entre autres, ils affichent en général une distribution du degré relativement large ainsi qu'une structure de "petit-monde". Grossièrement parlant, un graphe "petit-monde" est un réseau où tout individu se trouve relativement près de tout autre individu en termes de distance sociale, une propriété également présente dans les graphes aléatoires mais absente des grilles régulières. Par contre, les réseaux "petit-monde" ont, contrairement aux graphes aléatoires, une certaine structure de localité, mesurée par exemple par une quantité appelée le "coefficient de clustering". Dans le même esprit, plusieurs situations réelles de conflit en économie et sociologie ne sont pas bien décrites ni par des positions géographiquement fixes des individus en grilles régulières, ni par des graphes aléatoires. De plus, il est bien connu que la structure même d'un réseau peut passablement influencer des phénomènes dynamiques tels que la manière qu'a une maladie de se répandre à travers une population, ou encore la façon dont des idées ou une information s'y propagent. Ainsi, durant cette dernière décennie, l'attention de la recherche s'est tout naturellement déplacée des graphes aléatoires et réguliers vers de meilleurs modèles de structure d'interactions sociales. L'objectif principal de ce travail est de découvrir si la structure sous-jacente de graphe de vrais réseaux sociaux peut fournir des explications quant aux raisons pour lesquelles on trouve, chez certains groupes d'êtres humains ou d'animaux, des niveaux de coopération supérieurs à ce qui est prescrit par la théorie classique des jeux. Dans l'optique d'atteindre ce but, je commence par étudier un véritable réseau de collaborations scientifiques et, en utilisant diverses mesures statistiques, je mets en évidence la manière dont il diffère de réseaux biologiques ou technologiques. De plus, j'extrais et je décris sa structure de communautés en tenant compte de l'intensité d'une collaboration. Finalement, j'examine l'évolution temporelle du réseau depuis son origine jusqu'à son état en 2006, date à laquelle l'étude a été effectuée, en suggérant également une vue effective du réseau par opposition à une vue historique. Par la suite, je combine la théorie évolutionnaire des jeux avec des réseaux comprenant plusieurs modèles et le réseau de collaboration susmentionné, afin de déterminer les propriétés structurelles utiles à la promotion de la coopération et les mécanismes responsables du maintien de celle-ci. Je mets en évidence le fait que, pour ne pas succomber à la défection, les coopérateurs exploitent dans la mesure du possible l'hétérogénéité des réseaux sociaux en termes de degré ainsi que la structure de communautés sous-jacente de ces mêmes réseaux. Finalement, je montre que le niveau de coopération et sa stabilité dépendent non seulement du jeu joué, mais aussi des règles de la dynamique évolutionnaire utilisées et du calcul du bénéfice d'un individu.

Spatial patterns of preconsolidation pressure and soil moisture along transects in two directions under coffee

Information on the spatial structure of soil physical and structural properties is needed to evaluate the soil quality. The purpose of this study was to investigate the spatial behavior of preconsolidation pressure and soil moisture in six transects, three selected along and three across coffee rows, at three different sites under different tillage management systems. The study was carried out on a farm, in Patrocinio, state of Minas Gerais, in the Southeast of Brazil (18 º 59 ' 15 '' S; 46 º 56 ' 47 '' W; 934 m asl). The soil type is a typic dystrophic Red Latosol (Acrustox) and consists of 780 g kg-1 clay; 110 g kg-1 silt and 110 g kg-1 sand, with an average slope of 3 %. Undisturbed soil cores were sampled at a depth of 0.10-0.13 m, at three different points within the coffee plantation: (a) from under the wheel track, where equipment used in farm operations passes; (b) in - between tracks and (c) under the coffee canopy. Six linear transects were established in the experimental area: three transects along and three across the coffee rows. This way, 161 samples were collected in the transect across the coffee rows, from the three locations, while 117 samples were collected in the direction along the row. The shortest sampling distance in the transect across the row was 4 m, and 0.5 m for the transect along the row. No clear patterns of the preconsolidation pressure values were observed in the 200 m transect. The results of the semivariograms for both variables indicated a high nugget value and short range for the studied parameters of all transects. A cyclic pattern of the parameters was observed for the across-rows transect. An inverse relationship between preconsolidation pressure and soil moisture was clearly observed in the samples from under the track, in both directions.

Effect of spatial processes on the evolution of ecological niches and dispersal in metacommunity systems

RésuméLa coexistence de nombreuses espèces différentes a de tout temps intrigué les biologistes. La diversité et la composition des communautés sont influencées par les perturbations et l'hétérogénéité des conditions environnementales. Bien que dans la nature la distribution spatiale des conditions environnementales soit généralement autocorrélée, cet aspect est rarement pris en compte dans les modèles étudiant la coexistence des espèces. Dans ce travail, nous avons donc abordé, à l'aide de simulations numériques, la coexistence des espèces ainsi que leurs caractéristiques au sein d'un environnement autocorrélé.Afin de prendre en compte cet élément spatial, nous avons développé un modèle de métacommunauté (un ensemble de communautés reliées par la dispersion des espèces) spatialement explicite. Dans ce modèle, les espèces sont en compétition les unes avec les autres pour s'établir dans un nombre de places limité, dans un environnement hétérogène. Les espèces sont caractérisées par six traits: optimum de niche, largeur de niche, capacité de dispersion, compétitivité, investissement dans la reproduction et taux de survie. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'influence de l'autocorrélation spatiale et des perturbations sur la diversité des espèces et sur les traits favorisés dans la métacommunauté. Nous avons montré que l'autocorrélation spatiale peut avoir des effets antagonistes sur la diversité, en fonction du taux de perturbations considéré. L'influence de l'autocorrélation spatiale sur la capacité de dispersion moyenne dans la métacommunauté dépend également des taux de perturbations et survie. Nos résultats ont aussi révélé que de nombreuses espèces avec différents degrés de spécialisation (i.e. différentes largeurs de niche) peuvent coexister. Toutefois, les espèces spécialistes sont favorisées en absence de perturbations et quand la dispersion est illimitée. A l'opposé, un taux élevé de perturbations sélectionne des espèces plus généralistes, associées avec une faible compétitivité.L'autocorrélation spatiale de l'environnement, en interaction avec l'intensité des perturbations, influence donc de manière considérable la coexistence ainsi que les caractéristiques des espèces. Ces caractéristiques sont à leur tour souvent impliquées dans d'importants processus, comme le fonctionnement des écosystèmes, la capacité des espèces à réagir aux invasions, à la fragmentation de l'habitat ou aux changements climatiques. Ce travail a permis une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la coexistence et des caractéristiques des espèces, ce qui est crucial afin de prédire le devenir des communautés naturelles dans un environnement changeant.AbstractUnderstanding how so many different species can coexist in nature is a fundamental and long-standing question in ecology. Community diversity and composition are known to be influenced by heterogeneity in environmental conditions and disturbance. Though in nature the spatial distribution of environmental conditions is frequently autocorrelated, this aspect is seldom considered in models investigating species coexistence. In this work, we thus addressed several questions pertaining to species coexistence and composition in spatially autocorrelated environments, with a numerical simulations approach.To take into account this spatial aspect, we developed a spatially explicit model of metacommunity (a set of communities linked by dispersal of species). In this model, species are trophically equivalent, and compete for space in a heterogeneous environment. Species are characterized by six life-history traits: niche optimum, niche breadth, dispersal, competitiveness, reproductive investment and survival rate. We were particularly interested in the influence of environmental spatial autocorrelation and disturbance on species diversity and on the traits of the species favoured in the metacommunity. We showed that spatial autocorrelation can have antagonistic effects on diversity depending on disturbance rate. Similarly, spatial autocorrelation interacted with disturbance rate and survival rate to shape the mean dispersal ability observed in the metacommunity. Our results also revealed that many species with various degrees of specialization (i.e. different niche breadths) can coexist together. However specialist species were favoured in the absence of disturbance, and when dispersal was unlimited. In contrast, high disturbance rate selected for more generalist species, associated with low competitive ability.The spatial structure of the environment, together with disturbance and species traits, thus strongly impacts species diversity and, more importantly, species composition. Species composition is known to affect several important metacommunity properties such as ecosystem functioning, resistance and reaction to invasion, to habitat fragmentation and to climate changes. This work allowed a better understanding of the mechanisms responsible for species composition, which is of crucial importance to predict the fate of natural metacommunities in changing environments

Time and space: genetic structure of the common sea urchin paracentrotus lividus in the south-eastern iberian coast

Spatio-temporal variability in settlement and recruitment, high mortality during the first life-history stages, and selection may determine the genetic structure of cohorts of long-lived marine invertebrates at small scales. We conducted a spatial and temporal analysis of the common Mediterranean Sea urchin Paracentrotus lividus to determine the genetic structure of cohorts at different scales. In Tossa de Mar (NW Mediterranean), recruitment was followed over 5 consecutive springs (2006-2010). In spring 2008, recruits and two-year-old individuals were collected at 6 locations along East and South Iberian coasts separated from 200 to over 1,100 km. All cohorts presented a high genetic diversity based on a fragment of mtCOI. Our results showed a marked genetic homogeneity in the temporal monitoring and a low degree of spatial structure in 2006. In 2008, coupled with an abnormality in the usual circulation patterns in the area, the genetic structure of the southern populations studied changed markedly, with arrival of many private haplotypes. This fact highlights the importance of point events in renewing the genetic makeup of populations, which can only be detected through analysis of the cohort structure coupling temporal and spatial perspectives.

GPS receivers for georeferencing of spatial variability of soil attributes

The characterization of the spatial variability of soil attributes is essential to support agricultural practices in a sustainable manner. The use of geostatistics to characterize spatial variability of these attributes, such as soil resistance to penetration (RP) and gravimetric soil moisture (GM) is now usual practice in precision agriculture. The result of geostatistical analysis is dependent on the sample density and other factors according to the georeferencing methodology used. Thus, this study aimed to compare two methods of georeferencing to characterize the spatial variability of RP and GM as well as the spatial correlation of these variables. Sampling grid of 60 points spaced 20 m was used. For RP measurements, an electronic penetrometer was used and to determine the GM, a Dutch auger (0.0-0.1 m depth) was used. The samples were georeferenced using a GPS navigation receiver, Simple Point Positioning (SPP) with navigation GPS receiver, and Semi-Kinematic Relative Positioning (SKRP) with an L1 geodetic GPS receiver. The results indicated that the georeferencing conducted by PPS did not affect the characterization of spatial variability of RP or GM, neither the spatial structure relationship of these attributes.

Le développement économique régional, la politique et les disparités régionales des grands territoires : le cas du Canada et de la Chine

Résumé Depuis le début des années 1990, la recherche sur le développement régional a pris une importance considérable dans les disciplines de l’économie et de la géographie dans la plupart des pays. De nombreuses études ont été consacrées à ce sujet et l’on constate une approche analytique de plus en plus sophistiquée. Que les économies pauvres ont tendance à converger vers les pays riches, ou bien à diverger au fil du temps est une question qui a attiré l'attention des décideurs et des universitaires depuis quelques décennies. Convergence ou de divergence économique est un sujet d'intérêt et de débat, non seulement pour valider ou non les deux modèles principaux de croissance qui sont considérés comme concurrent (l’approche néo-classique et celle des approches de croissance endogène), mais aussi pour ses implications pour les publiques politiques. En se basant sur une analyse des politiques de développement régional et des analyses statistiques de la convergence et des disparités régionales, les objectifs de cette thèse sont de tenter de fournir une explication des différents processus et des modèles de développement économique régional poursuivis dans le cas de territoires immenses en utilisant le Canada et la Chine comme études de cas, d'entreprendre une analyse des différents facteurs et des forces motrices qui sous-tendent le développement régional dans ces deux pays, et d'explorer à la fois les réussites et les échecs apparents dans les politiques de développement régional en comparant et contrastant les expériences de développement régional et les modèles de ces deux pays. A fin d'atteindre cet objectif, la recherche utilise une approche multi-scalaire et des méthodes de mesure multidimensionnelle dans le cadre des analyses sur les disparités « régionales » entre les macro régions (sous-ensembles de provinces) des deux pays, des provinces et des régions urbaines sélectionnées, dans le but ultime d’identifier des problèmes existants en termes de développement régional et de pouvoir proposer des solutions. Les étapes principales de la recherche sont : 1. La cueillette des données statistiques pour le Canada et la Chine (incluant les provinces de Québec et de Xinjiang) pour une gamme d’indicateurs (voir ci-dessous). 2. D’entreprendre une analyse de chaque dimension dans les deux juridictions: Population (p.ex. composition, structure, changement); Ressources (p. ex. utilisation, exploitation de l’énergie); Environnement (p.ex. la pollution); et le Développement socioéconomique (p.ex. le développement et la transformation des secteurs clé, et les modèles de développement rural et urbain), et les disparités changeantes par rapport à ces dimensions. 3. La définition d’une typologie de différents types de région en fonction de leurs trajectoires de développement, ce qui servira pour critiquer l’hypothèse centre-périphérie. 4. Le choix d’une région métropolitaine dans chaque juridiction (province). 5. D’entreprendre une analyse temporelle des événements clé (politiques, investissements) dans chaque région et les facteurs impliqués dans chaque événement, en utilisant l’information documentaire générale et des agences institutionnelles impliqués actuellement et dans un passée récent. Cette étude a tenté d'expliquer les schémas et les processus des deux économies, ainsi que la présentation d'études de cas qui illustrent et examinent les différences dans les deux économies à partir de l’échelle nationale jusqu’au niveau régional et provincial et aussi pour certaines zones urbaines. Cette étude a essayé de répondre aux questions de recherche comme: Est-il vrai que les pays avec des plus grandes territoires sont associés avec des plus grandes disparités interrégionales? Quel est le résultat des comparaisons entre pays développés et pays en développement? Quels sont les facteurs les plus importants dans le développement économique de vastes territoires dans les pays développés et pays en développement? Quel est le mécanisme de convergence et de divergence dans les pays développés et, respectivement, les pays en développement? Dans l'introduction à la thèse, le cadre général de l'étude est présenté, suivie dans le chapitre 1 d'une discussion sur les théories et les concepts utilisés dans la littérature théorique principale qui est pertinent à l'étude. Le chapitre 2 décrit la méthodologie de recherche. Le chapitre 3 présente une vue d'ensemble des politiques de développement économique régional et les programmes du Canada et de la Chine dans des périodes différentes à différentes échelles. Au chapitre 4, la convergence des deux pays à l'échelle nationale et la convergence provinciale pour chaque pays sont examinés en utilisant différentes méthodes de mesure telles que les méthodes traditionnelles, la convergence bêta et la convergence sigma. Dans le chapitre le plus complexe, le chapitre 5, les analyses comparatives sont présentées à l'aide de données statistiques, à partir des analyses des cas régionaux et provinciaux retenus des deux pays. Au chapitre 6, ces dispositions sont complétées par une analyse des régions urbaines choisies, qui permet également des aperçus sur les régions les plus périphériques. Dans la recherche proposée pour cette thèse, la politique, la population, le revenu, l'emploi, la composition industrielle, l'investissement, le commerce et le facteur de la migration sont également pris en compte comme facteurs importants de l'analyse régionale compte tenu de la superficie du territoire des deux pays et les différences de population entre eux. Cette thèse a évalué dans quelle mesure les politiques gouvernementales ont réussi à induire la convergence régionale ou ont encore ont creusé davantage les disparités régionales, ce qui implique nécessairement une évaluation de la durabilité des patrons et des programmes de développement régional. Cette étude a également mis l'accent sur les disparités régionales et la politique de développement régional, les comparaisons entre pays, pour mesurer la convergence entre les pays et entre les régions, y compris l'analyse spatiale, d'identifier les facteurs les plus actifs tels que la population, les ressources, la politique, l'urbanisation, les migrations, l'ouverture économique et leurs différents rôles dans le développement économique de ces grands territoires (au Canada et Chine). Les résultats empiriques et les processus de convergence et de divergence offrent un cadre intéressant pour l'examen de la trajectoire de développement régionales et les disparités régionales dans les deux économies. L'approche adoptée a révélé les différentes mosaïques complexes du développement régional dans les deux pays. Les résultats de cette étude ont démontré que la disparité en termes de revenu régional est une réalité dans chaque zone géographique, et que les causes sont nombreuses et complexes. Les deux économies ont certains parallèles dans la mise en œuvre des politiques de développement économique régional, mais il existe des différences importantes aussi et elles se sont développées à différentes vitesses. Les deux économies se sont développées depuis la Seconde Guerre mondiale, mais la Chine a connu une croissance rapide que le Canada comme témoignent de nombreux indicateurs depuis 1980. Cependant, la Chine est maintenant confrontée à un certain nombre de problèmes économiques et sociaux, y compris les disparités régionales marquées, un fossé toujours croissant entre les revenus ruraux et urbains, une population vieillissante, le chômage, la pauvreté et la dégradation rapide de l'environnement avec toujours plus de demandes en énergie. Le développement économique régional en Chine est plus déséquilibré. Le Canada accuse un degré de disparités régionales et provinciales moins important que la Chine. Dans les cas provinciaux, il existe d'importantes différences et de disparités dans la structure économique et spatiale du Québec et du Xinjiang. Les disparités infra provinciales sont plus grandes que celles à l’échelle des provinces et des grandes régions (des sous-ensembles de provinces). Les mécanismes de convergence et de divergence dans les deux pays sont différents. Les résultats empiriques et les processus de convergence et de divergence offrent un cadre intéressant pour l'examen de la trajectoire de développement régionale et les disparités régionales dans les deux économies. Cette étude démontre également que l'urbanisation (les métropoles et les villes) s’avère être le facteur le plus actif et contribue à l'économie régionale dans ces grands territoires. L'ouverture a joué un rôle important dans les économies des deux pays. La migration est un facteur majeur dans la stimulation de l'économie des deux pays mais de façons différentes. Les résultats empiriques démontrent que les disparités régionales ne peuvent pas être évitées et elles existent presque partout. Il n'y a pas une formule universelle et de politiques spécifiques sont de mise pour chaque région. Mais il semble possible pour les décideurs politiques nationaux et régionaux d’essayer de maintenir l'écart à une échelle raisonnable pour éviter l'instabilité sociale.

Segregation unter Stagnationsbedingungen

Anlass der Untersuchung sind Verstärkungen von strukturwandel- und globalisierungsbedingten Wandlungen unter Schrumpfungs- und Stagnationsbedingungen. Denn Stagnations- und Schrumpfungstendenzen in einer Region sind selektiv, sie begünstigen über verschiedene Mechanismen Polarisierungen und Marginalisierungen: Die allgemeine Entspannung am Wohnungsmarkt hat erhöhte Mobilität und damit sozialräumliche Segregierungen und Polarisierungen der Wohnungsversorgung zur Folge. Leerstände und ausbleibende Investitionen begünstigen Polarisierungen von baulich-räumlichen Qualitäten. Diese beiden Entwicklungen überlagern sich im Stadtraum und verstärken sich gegenseitig. Dabei verbessert sich die Wohnungsversorgung in den benachteiligten Quartieren kaum, so die Ausgangshypothesen. Die Untersuchung fragt nach den Wirkungen des Nebeneinanders von Wachstums-, Stagnations- und Schrumpfungserscheinungen auf unterschiedlichen Maßstabsebenen, dem Zusammenspiel von sozialstrukturellen und qualitativen Veränderungen der baulich-räumlichen Gegebenheiten in den Quartieren sowie in innerstädtischer Differenzierung. Dabei interessieren besonders die Einflüsse eines regional entspannten Wohnungsmarktes und dessen Folgen für die Verwertungsstrategien im Wohnungsbestand auf Segregationsprozesse und die Wohnungsversorgung. Als Fallbeispiel der Untersuchung dient die Stadt Kassel. Der sozialräumliche Fokus liegt auf drei Typen benachteiligter Quartiere: Neben den in der aktuellen Diskussion zumeist betrachteten gründerzeitlichen Arbeiterquartieren und den Großsiedlungen der 1960/70er Jahre wurden auch die peripheren Geschosswohnungsbausiedlungen der 1950er/60er Jahre in die Untersuchung einbezogen, um den unterschiedlichen Rahmenbedingungen und Wirkungen in den Quartierstypen auf die Spur zu kommen und damit letztlich Grundlagen für stadtentwicklungspolitische Strategien zu erarbeiten. Die kleinräumigen Analysen von sozialräumlicher und baulich-räumlicher Struktur sowie zur Wohnungsversorgung deckten Parallelen und gegenläufige Entwicklungen zwischen den unterschiedlichen Quartierstypen auf; es ergaben sich verschiedene Anhaltspunkte zur Erhärtung der Ausgangsthesen. So wurde z.B. deutlich, dass sich unter den Marktbedingungen stagnierender Städte die Wohnflächenversorgung in den benachteiligten Quartieren kaum verbessert. Hierin zeigt sich ein entscheidender Unterschied zu stark schrumpfenden Städten, in denen sich die Versorgungslage (fast) durchgängig verbessert. Wohnungsmarktbarrieren wirken offensichtlich unter Stagnationsbedingungen für bestimmte Bevölkerungsgruppen weiter. Da sich ihre Wirkung aber für weitere Kreise der Bevölkerung abschwächt, verschärfen sich sozialräumliche Konzentrationen. Vor allem aber wurden Überlagerung und gegenseitige Verstärkung dieser sozialräumlichen mit baulich-räumlichen Polarisierungen deutlich, die vor allem aus stadträumlich konzentrierten Investitionen in den Gebäude- und Wohnungsbestand resultieren. Letztlich zeigt sich damit, dass regulierende Eingriffe nicht nur im Rahmen des Umbaus und der Erneuerung der Quartiere erforderlich sind, sondern insbesondere auch in den Wohnungsmarkt und dies auch bei entspannter regionaler Marktlage. Andernfalls ist weder eine angemessene Wohnungsversorgung aller Bevölkerungsgruppen noch der Zusammenhalt der Stadt(Gesellschaft) zu gewährleisten. Dabei ist die Stadtpolitik permanent mit der Gleichzeitigkeit von (wirtschaftlicher) Standortpolitik und sozialer Stadtentwicklung konfrontiert, die sie im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung gegeneinander und miteinander abwägen muss.

Informality in the City: a Theoretical Analysis

This thesis theoretically studies the relationship between the informal sector (both in the labor and the housing market) and the city structure.

Spatial covariation of Azotobacter abundance and soil properties: A case study using the wavelet transform

The soil microflora is very heterogeneous in its spatial distribution. The origins of this heterogeneity and its significance for soil function are not well understood. A problem for understanding spatial variation better is the assumption of statistical stationarity that is made in most of the statistical methods used to assess it. These assumptions are made explicit in geostatistical methods that have been increasingly used by soil biologists in recent years. Geostatistical methods are powerful, particularly for local prediction, but they require the assumption that the variability of a property of interest is spatially uniform, which is not always plausible given what is known about the complexity of the soil microflora and the soil environment. We have used the wavelet transform, a relatively new innovation in mathematical analysis, to investigate the spatial variation of abundance of Azotobacter in the soil of a typical agricultural landscape. The wavelet transform entails no assumptions of stationarity and is well suited to the analysis of variables that show intermittent or transient features at different spatial scales. In this study, we computed cross-variograms of Azotobacter abundance with the pH, water content and loss on ignition of the soil. These revealed scale-dependent covariation in all cases. The wavelet transform also showed that the correlation of Azotobacter abundance with all three soil properties depended on spatial scale, the correlation generally increased with spatial scale and was only significantly different from zero at some scales. However, the wavelet analysis also allowed us to show how the correlation changed across the landscape. For example, at one scale Azotobacter abundance was strongly correlated with pH in part of the transect, and not with soil water content, but this was reversed elsewhere on the transect. The results show how scale-dependent variation of potentially limiting environmental factors can induce a complex spatial pattern of abundance in a soil organism. The geostatistical methods that we used here make assumptions that are not consistent with the spatial changes in the covariation of these properties that our wavelet analysis has shown. This suggests that the wavelet transform is a powerful tool for future investigation of the spatial structure and function of soil biota. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The Representative Soil Sampling Scheme of England and Wales: the spatial variation of topsoil nutrient status and pH between 1971 and 2001

The Representative Soil Sampling Scheme (RSSS) has monitored the soil of agricultural land in England and Wales since 1969. Here we describe the first spatial analysis of the data from these surveys using geostatistics. Four years of data (1971, 1981, 1991 and 2001) were chosen to examine the nutrient (available K, Mg and P) and pH status of the soil. At each farm, four fields were sampled; however, for the earlier years, coordinates were available for the farm only and not for each field. The averaged data for each farm were used for spatial analysis and the variograms showed spatial structure even with the smaller sample size. These variograms provide a reasonable summary of the larger scale of variation identified from the data of the more intensively sampled National Soil Inventory. Maps of kriged predictions of K generally show larger values in the central and southeastern areas (above 200 mg L-1) and an increase in values in the west over time, whereas Mg is fairly stable over time. The kriged predictions of P show a decline over time, particularly in the east, and those of pH show an increase in the east over time. Disjunctive kriging was used to examine temporal changes in available P using probabilities less than given thresholds of this element. The RSSS was not designed for spatial analysis, but the results show that the data from these surveys are suitable for this purpose. The results of the spatial analysis, together with those of the statistical analyses, provide a comprehensive view of the RSSS database as a basis for monitoring the soil. These data should be taken into account when future national soil monitoring schemes are designed.

A geostatistical analysis of the spatial variation of soil mineral nitrogen and potentially available nitrogen within an arable field.

The technology for site-specific applications of nitrogen (N) fertilizer has exposed a gap in our knowledge about the spatial variation of soil mineral N, and that which will become available during the growing season within arable fields. Spring mineral N and potentially available N were measured in an arable field together with gravimetric water content, loss on ignition, crop yield, percentages of sand, silt, and clay, and elevation to describe their spatial variation geostatistically. The areas with a larger clay content had larger values of mineral N, potentially available N, loss on ignition and gravimetric water content, and the converse was true for the areas with more sandy soil. The results suggest that the spatial relations between mineral N and loss on ignition, gravimetric water content, soil texture, elevation and crop yield, and between potentially available N and loss on ignition and silt content could be used to indicate their spatial patterns. Variable-rate nitrogen fertilizer application would be feasible in this field because of the spatial structure and the magnitude of variation of mineral N and potentially available N.

Toward a combined seasonal weather and crop productivity forecasting system: Determination of the working spatial scale

A methodology is presented for the development of a combined seasonal weather and crop productivity forecasting system. The first stage of the methodology is the determination of the spatial scale(s) on which the system could operate; this determination has been made for the case of groundnut production in India. Rainfall is a dominant climatic determinant of groundnut yield in India. The relationship between yield and rainfall has been explored using data from 1966 to 1995. On the all-India scale, seasonal rainfall explains 52% of the variance in yield. On the subdivisional scale, correlations vary between variance r(2) = 0.62 (significance level p < 10(-4)) and a negative correlation with r(2) = 0.1 (p = 0.13). The spatial structure of the relationship between rainfall and groundnut yield has been explored using empirical orthogonal function (EOF) analysis. A coherent, large-scale pattern emerges for both rainfall and yield. On the subdivisional scale (similar to 300 km), the first principal component (PC) of rainfall is correlated well with the first PC of yield (r(2) = 0.53, p < 10(-4)), demonstrating that the large-scale patterns picked out by the EOFs are related. The physical significance of this result is demonstrated. Use of larger averaging areas for the EOF analysis resulted in lower and (over time) less robust correlations. Because of this loss of detail when using larger spatial scales, the subdivisional scale is suggested as an upper limit on the spatial scale for the proposed forecasting system. Further, district-level EOFs of the yield data demonstrate the validity of upscaling these data to the subdivisional scale. Similar patterns have been produced using data on both of these scales, and the first PCs are very highly correlated (r(2) = 0.96). Hence, a working spatial scale has been identified, typical of that used in seasonal weather forecasting, that can form the basis of crop modeling work for the case of groundnut production in India. Last, the change in correlation between yield and seasonal rainfall during the study period has been examined using seasonal totals and monthly EOFs. A further link between yield and subseasonal variability is demonstrated via analysis of dynamical data.

Power properties if invariant tests for spatial autocorrelation in linear regression

This paper derives some exact power properties of tests for spatial autocorrelation in the context of a linear regression model. In particular, we characterize the circumstances in which the power vanishes as the autocorrelation increases, thus extending the work of Krämer (2005). More generally, the analysis in the paper sheds new light on how the power of tests for spatial autocorrelation is affected by the matrix of regressors and by the spatial structure. We mainly focus on the problem of residual spatial autocorrelation, in which case it is appropriate to restrict attention to the class of invariant tests, but we also consider the case when the autocorrelation is due to the presence of a spatially lagged dependent variable among the regressors. A numerical study aimed at assessing the practical relevance of the theoretical results is included

The DigiBog model of peatland development 1: rationale, conceptual model, and hydrological basis

Using a literature review, we argue that new models of peatland development are needed. Many existing models do not account for potentially important ecohydrological feedbacks, and/or ignore spatial structure and heterogeneity. Existing models, including those that simulate a near total loss of the northern peatland carbon store under a warming climate, may produce misleading results because they rely upon oversimplified representations of ecological and hydrological processes. In this, the first of a pair of papers, we present the conceptual framework for a model of peatland development, DigiBog, which considers peatlands as complex adaptive systems. DigiBog accounts for the interactions between the processes which govern litter production and peat decay, peat soil hydraulic properties, and peatland water-table behaviour, in a novel and genuinely ecohydrological manner. DigiBog consists of a number of interacting submodels, each representing a different aspect of peatland ecohydrology. Here we present in detail the mathematical and computational basis, as well as the implementation and testing, of the hydrological submodel. Remaining submodels are described and analysed in the accompanying paper. Tests of the hydrological submodel against analytical solutions for simple aquifers were highly successful: the greatest deviation between DigiBog and the analytical solutions was 2·83%. We also applied the hydrological submodel to irregularly shaped aquifers with heterogeneous hydraulic properties—situations for which no analytical solutions exist—and found the model's outputs to be plausible.

A closer look at chaotic advection in the stratosphere: part I: geometric structure

The relevance of chaotic advection to stratospheric mixing and transport is addressed in the context of (i) a numerical model of forced shallow-water flow on the sphere, and (ii) a middle-atmosphere general circulation model. It is argued that chaotic advection applies to both these models if there is suitable large-scale spatial structure in the velocity field and if the velocity field is temporally quasi-regular. This spatial structure is manifested in the form of “cat’s eyes” in the surf zone, such as are commonly seen in numerical simulations of Rossby wave critical layers; by analogy with the heteroclinic structure of a temporally aperiodic chaotic system the cat’s eyes may be thought of as an “organizing structure” for mixing and transport in the surf zone. When this organizing structure exists, Eulerian and Lagrangian autocorrelations of the velocity derivatives indicate that velocity derivatives decorrelate more rapidly along particle trajectories than at fixed spatial locations (i.e., the velocity field is temporally quasi-regular). This phenomenon is referred to as Lagrangian random strain.