[論文レビュー] A spatially extended model to assess the role of landscape structure on the pollination service of Apis mellifera

Julien Joseph, Fernanda Santibáñez+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2019

Plant and animal studies参考文献 33被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、不均一な景観を対象に、ミツバチ（*Apis mellifera*）の採餌行動、巣のダイナミクス、および受粉サービスを空間的に明示的にシミュレートするモデルを提示する。ナツメガラの枯渇、受粉、限られた環境知識に基づく確率的採餌行動とのフィードバックを統合することで、自然土地の割合が固定された条件下で、自然生息地の最適なパッチサイズが受粉効率を最大にすることが明らかになった。これは、景観の構成が生態的集約化にとって極めて重要であることを示している。

ABSTRACT

Apis mellifera plays a crucial role as pollinator of the majority of crops linked to food production and thus its presence is currently fundamental to our health and survival. The composition and configuration of the landscape in which Apis mellifera lives will likely determine the well-being of the hives and the pollination service that their members can provide to the crops. Here we present a spatially explicit model that predicts the spatial distribution of visits by Apis mellifera to crops, by simulating daily trips of honey bees, the demographical dynamic of each hive and their honey production. This model goes beyond existing approaches by including 1) a flower resource affected by the feedback interaction between nectar extraction, pollination, blossoming and repeated visits, 2) a pollinators dynamic that allows competition through short term resource depletion, 3) a probabilistic approach of the foraging behavior, modeling the fact that the pollinators have only partial knowledge of the resource on their surroundings, and 4) the specific and systematic foraging behavior and strategies of Apis mellifera at the moment of choosing foraging sites, as opposed to those adopted by solitary and wild pollinators. With a balance between simplicity and realism we show the importance of keeping a minimal fraction of natural habitat in an agricultural landscape. We also evaluate the effects of the landscape's structure on pollination, and demonstrate that there exists an optimal size of natural habitat patches that maximizes the pollination service for a fixed fraction of natural habitat.

研究の動機と目的

• 景観構造、特に自然生息地パッチの配置とサイズがミツバチ（*Apis mellifera*）による受粉サービスに与える影響を理解すること。
• 限られた空間的知識とハチ同士の競争を含む現実的な採餌行動を捉えるメカニズム的モデルの開発。
• 自然生息地の割合と受粉効率のトレードオフを評価し、最適な景観構成を特定すること。
• 農家、ミツバチ飼育者、政策立案者にとって、土地利用の変化が受粉サービスに与える影響を評価するためのツールを提供すること。
• 受粉フィードバック、ハチ間競争、確率的サイト選択を統合することで、既存のモデルのギャップを埋めること。

提案手法

• 個々のミツバチの日次採餌行動を、距離、資源の可用性、周辺パッチの状態に基づく確率的アプローチでシミュレートする。
• ナツメガラの再生、受粉成功、繰り返し訪問による損傷を考慮した動的花資源モデルを含む。
• アルゼンチン・リオネグロ地方のパラメータに合わせてキャリブレーションされた生物学的に裏付けられたハチの個体群ダイナミクスモデルを採用。
• 現実の採餌制限を反映して、短期間の資源枯渇を通じてハチ間競争をモデル化。
• 空間解像度は10 m、グリッドサイズは3 km × 3 km、時間ステップは1日単位で、1シーズンにわたるシミュレーションを可能に。
• GISベースの土地被覆マップと、採餌能力、往復頻度、1頭あたりのナツメガラ負荷量に関する実地データを統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自然生息地パッチの空間的配置は、ミツバチ（*Apis mellifera*）による受粉サービスにどのように影響するか？
• RQ2 自然土地の割合が固定された条件下で、受粉効率を最大にする自然生息地パッチの最適サイズは何か？
• RQ3 限られた採餌範囲と資源枯渇に起因するハチ間競争は、受粉結果にどのように影響するか？
• RQ4 採餌者が資源分布を限られた知識で把握していることによる影響が、受粉効率にどの程度及ぶか？
• RQ5 ナツメガラ抽出、受粉、花の開花の間のフィードバック機構が、長期的な受粉サービスにどのように作用するか？

主な発見

• 自然土地の割合が固定された条件下で、受粉サービスを最大にする最適な自然生息地パッチサイズが存在し、景観構成が総生息地面積と同等に重要であることが示された。
• 自然生息地パッチが小さすぎたり大きすぎたりすると受粉効率が低下し、中間的なパッチサイズでピーク性能が達成される。
• モデルは、強い競争が過剰訪問を引き起こし、特に資源の再生速度より速く枯渇する場合に受粉効率が低下することを示している。
• ミツバチの生産量と果実の着果率は景観構造に極めて敏感であり、高競争と過剰訪問の条件下でのみ顕著な差が現れる。
• モデルは、最適な閾値を超えて自然生息地を拡大しても、受粉サービスが低下する可能性があると予測している。これは、高いミツバチ個体群を支持するが、受粉サービスは減少する可能性があることを示している。
• モデルは、ミツバチ（*Apis mellifera*）の採餌行動、特に確率的サイト選択と限られた環境知識が、受粉の空間的パターンに顕著な影響を与えることを示している。