[論文レビュー] A stochastic individual based model for the growth of a stand of Japanese knotweed including mowing as a management technique

François Lavallée, Charline Smadi+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2019

Ecology and Vegetation Dynamics Studies参考文献 66被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、現場データからパラメータをキャリブレーションした、刈り払い管理下におけるスチルスティック・コウトウソウの群落動態をシミュレートする確率的個体ベースモデルを開発した。完全駆除のための臨界閾値を同定し、初期群落サイズと刈り払い頻度に依存する最小期間にわたる継続的刈り払いが、群落の完全消滅を可能にすることを示した。

ABSTRACT

Invasive alien species are a growing threat for environment and health. They also have a major economic impact, as they can damage many infrastructures. The Japanese knotweed (Fallopia japonica), present in North America, Northern and Central Europe as well as in Australia and New Zealand, is listed by the World Conservation Union as one of the world's worst invasive species. So far, most models have dealt with how the invasion spreads without management. This paper aims at providing a model able to study and predict the dynamics of a stand of Japanese knotweed taking into account mowing as a management technique. The model we propose is stochastic and individual-based, which allows us taking into account the behaviour of individuals depending on their size and location, as well as individual stochasticity. We set plant dynamics parameters thanks to a calibration with field data, and study the influence of the initial population size, the mean number of mowing events a year and the management project duration on mean area and mean number of crowns of stands. In particular, our results provide the sets of parameters for which it is possible to obtain the stand eradication, and the minimal duration of the management project necessary to achieve this latter.

研究の動機と目的

• スチルスティック・コウトウソウ群落の成長および空間的ダイナミクスを捉える、メカニズム的で確率的な個体ベースモデルの開発。
• 個体レベルの反応（サイズおよび位置に基づく）を考慮した、刈り払いを管理干渉要因としてモデルに組み込むこと。
• 生物量成長、死滅、拡散に関する実地観察データを用いて、モデルのパラメータをキャリブレーションすること。
• 初期群落サイズ、年間刈り払い頻度、プロジェクト期間が、群落の存続または駆除に与える影響を評価すること。
• 群落の完全駆除を達成するために必要な最小管理期間および刈り払い強度を同定すること。

提案手法

• モデルは、動的生物量、位置、サイズ依存的成長および死滅を有する個体としての個体群を離散的実体としてシミュレートする。
• 生物量成長は、現場データに合わせてキャリブレーションされたパラメータを有する密度依存的ロジスティック関数に従う。
• 刈り払い効果は、刈り払い頻度と強度に基づいて個体生物量を減少させる生物量依存関数でモデル化される。
• 新規個体の拡散は、ガンマ分布に従う距離関数に従い、過密化を防ぐための空間的制約が課される。
• 連続時間、個体レベルのイベント駆動アルゴリズムが遷移を制御する：出生、死滅、または刈り払い。イベントのタイミングは指数分布から抽出される。
• 初期群落は、完全な管理を開始する前の定着を可能にするために、低頻度の刈り払いを繰り返しシミュレーションすることで生成される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる初期群落サイズを想定した場合、スチルスティック・コウトウソウ群落を完全に駆除するための刈り払い管理の最小期間はどのくらいか？
• RQ2 年間の刈り払い回数が、群落駆除の確率にどのように影響するか？
• RQ3 初期群落サイズと、長期的かつ成功した制御の可能性との関係は何か？
• RQ4 個体レベルのプロセス（生物量成長、死滅、拡散）が、刈り払い下での群落レベルのダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ5 どの刈り払い強度と期間で、システムが存続から駆除へと遷移するか？

主な発見

• スチルスティック・コウトウソウ群落の完全駆除は、初期群落サイズに依存する最小期間にわたる一貫した刈り払いが行われる場合にのみ達成可能である。
• 初期群落サイズが大きい群落は、頻繁な刈り払いを行っても、完全駆除に至るまでの管理期間が著しく長くなる。
• モデルは、中程度の群落サイズの群落に対して、年間2～3回の刈り払いを12～15年間継続することで駆除が達成可能であるという臨界閾値を同定した。
• 刈り払い頻度は非線形的影響を示す：年間1回から2回に増加すると、平均群落面積が著しく減少するが、さらなる増加は収益が逓減する。
• モデルは、刈り払いなしでは、理想条件下で10年以内に1個体あたりの生物量が1000 gを超えて急激に増加することを予測している。
• 高頻度の刈り払いと長期間の継続が組み合わされると、平均群落面積はほぼゼロにまで低下し、長期的かつ一貫した刈り払いが駆除に不可欠であることを確認した。