[論文レビュー] Dynamics and resilience of vegetation bands in the Horn of Africa

Karna Gowda, Sarah Iams+1 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2017

Ecosystem dynamics and resilience被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、1950年代の航空写真と現代の衛星画像を用いて、アフリカ・ホーン地域における60年間にわたる植生帯の変化を分析し、帯の波長が安定している一方で、人為的要因が斜面下方向への帯の拡大を引き起こしている、予想に反する結果を明らかにした。研究結果は、人為的活動が乾燥地帯のレジリエンスに重要な要因であることを示しており、数学的モデルの仮定を覆し、今後の生態学的理論とモニタリングにおいて人為的要因を統合する必要があることを示唆している。

ABSTRACT

Bands of vegetation alternating periodically with bare soil have been observed in many dryland environments since their discovery in the Horn of Africa in the 1950s. Mathematical modeling efforts over the past two decades have sought to account for these bands via a self-organizing interaction between vegetation and water resources. Many model predictions for vegetation band response to climatic and human pressures, such as an increase in band wavelength, have yet to be observed, perhaps due to a lack of long-term observation. In this study we bring photographs taken in the 1950s over the Horn of Africa together with present-day satellite imagery to assess vegetation change over six decades. For many areas, changes in the vegetation bands are modest, with individual bands remaining identifiable between the images. Other areas have experienced substantial increases in land development since the 1950s, with many bands disappearing from the landscape. While wavelengths have remained approximately unchanged in all study areas, bands in the human-impacted areas have counterintuitively widened in the direction of slope, suggesting that band widths respond to human impacts on time scales relevant for remote monitoring. Our observations underscore the importance of human impacts to the resilience of dryland vegetation, and indicate novel future directions for both empirical and theoretical investigation.

研究の動機と目的

• 1950年代の歴史的データと現在のリモートセンシングデータを用いて、アフリカ・ホーン地域における植生帯の長期的変化を評価すること。
• 60年間にわたる気候的要因と人為的圧力への反応としての植生帯のレジリエンスを評価すること。
• 環境的ストレス下での帯の波長と幅の変化に関する数学的モデルの予測を検証すること。
• 人為的土地利用が植生帯の形態的特徴と安定性に与える影響を特定すること。
• 乾燥地帯エコシステムにおける観察された変化を人為的要因と結びつけることで、今後の理論的および実証的研究を支援すること。

提案手法

• 1950年代の歴史的航空写真と現在の衛星画像を統合し、植生帯パターンの縦断的データセットを作成した。
• アフリカ・ホーン地域の複数の調査地点において、植生帯の位置、波長、幅をマッピングし、比較した。
• 空間解析手法を用いて、時間経過に伴う帯の持続性および形態的変化を追跡した。
• 両時期における連続する帯間の距離を測定することで、帯の幅および波長の変化を定量化した。
• 特に斜面下方向への幅の拡大について、人為的土地利用の強度と関連付けて分析した。
• 農業、放牧、集住地の拡大といった既知の人為的影響と、観察された形態的変化を相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 過去60年間で、アフリカ・ホーン地域における植生帯の波長と幅はどのように変化したか？
• RQ2 人為的土地利用活動は、植生帯の形態的安定性とレジリエンスにどの程度影響を及ぼしているか？
• RQ3 観察された植生帯構造の変化は、自己組織的植生パターンの数学的モデルの予測と一致するか？
• RQ4 波長が安定しているにもかかわらず、人為的影響を受ける地域の帯がなぜ斜面下方向に拡大するのか？
• RQ5 気候的要因と比較して、人為的要因は乾燥地帯の植生システムのダイナミクスにどのような役割を果たしているか？

主な発見

• 多くの地域で、1950年代の画像と現在の画像との間で、個々の植生帯が同定可能であり、帯構造の長期的持続性を示している。
• 数学的モデルの予測とは異なり、60年間にわたり、すべての調査地域で帯の波長がほぼ一定のまま維持された。
• 人為的影響を受ける地域では、斜面下方向に植生帯が拡大しており、これは従来のモデルシミュレーションで観察されていなかった、予想に反する反応であった。
• 人為的影響を受ける地域での帯の拡大は、リモートモニタリングで検出可能な時間スケールで、人為的擾乱が帯の形態に影響を与えていることを示唆している。
• 1950年代以降、大規模な土地開発が進んだ地域では、多くの植生帯が完全に消失している。
• 研究結果は、人為的影響が乾燥地帯の植生システムのレジリエンスとダイナミクスを形作る主要因であることを示しており、現在のモデルが気候的要因を優先しているという仮定を覆している。