[論文レビュー] Effects of green revolution led agricultural expansion on net ecosystem service values in India

Srikanta Sannigrahi, Suman Chakraborti+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2019

Land Use and Ecosystem Services参考文献 79被引用数 35

ひとこと要約

本研究は、1985年から2005年までのインドにおけるグリーンレボリューションに起因する農業拡大が、エコシステムサービス価値（ESV）に与える影響を、リモートセンシング、作物統計、および価値移転法を用いて定量的に評価した。耕作地のESVは、拡大した耕作と灌漑により132.2億ドル増加したが、その主な要因は総作物面積（TCA）と効率的灌漑面積（NIA）であった。一方、森林および湿地帯の減少は顕著な生態的リスクをもたらしている。

ABSTRACT

Ecosystem Services are a bundle of natural processes and functions that are essential for human well-being, subsistence, and livelihood. The expansion of cultivation and cropland, which is the backbone of the Indian economy, is one of the main drivers of rapid Land Use Land Cover changes in India. To assess the impact of the Green Revolution led agrarian expansion on the total ecosystem service values, we first estimated the ESVs from 1985 to 2005 for eight ecoregions in India using several value transfer approaches. Five explanatory factors such as Total Crop Area, Crop Production, Crop Yield, Net Irrigated Area, and Cropping Intensity representing the cropping scenarios in the country were used in constructing local Geographical Weighted Regression model to explore the cumulative and individual effects on ESVs. A Multi-Layer Perceptron based Artificial Neural Network algorithm was employed to estimate the normalized importance of these explanatory factors. During the observation periods, cropland, forestland, and water bodies have contributed the most and form a significant proportion of ESVs, followed by grassland, mangrove, wetland, and urban builtup. In all three years, among the nine ESs, the highest ESV accounts for water regulation, followed by soil formation and soilwater retention, biodiversity maintenance, waste treatment, climate regulation, and gas regulation. Among the five explanatory factors, TCA, NIA, CP showed a strong positive association with ESVs, while the CI exhibited a negative association. The study reveals a strong association between GR led agricultural expansion and ESVs in India.

研究の動機と目的

• 1985年から2005年までのインドの8つのエコレジオンにおけるエコシステムサービス価値（ESV）の変化を定量的に評価すること。
• 土地利用および作物生産データを用いて、グリーンレボリューションに起因する農業拡大が総ESVに与える影響を評価すること。
• 総作物面積（TCA）、作物生産（CP）、作物単位収量（CY）、効率的灌漑面積（NIA）、複植指数（CI）といった主要な農業的要因がESVに与える相対的影響を特定すること。
• 地理的重み付き回帰（GWR）およびマルチレイヤーパーセプトロン（MLP）ニューラルネットワークを用いて、これらの要因の累積的および個別の影響を評価すること。
• 農業の集積化と自然エコシステムの保全の間のトレードオフを特定することで、エコシステム管理政策を支援すること。

提案手法

• 1985年、1995年、2005年の100m解像度のLULCデータ（Landsat画像から抽出され、再分類して8つのバイオームに分類：耕作地、森林、水体、都市部、草地、湿地帯、マングローブ、休耕地）を用いた。
• 9つのエコシステムサービスの単位あたりのエコシステムサービス価値を推定するために、複数の価値移転アプローチ（Costanza et al., 1997; 2014; de Groot et al., 2012; Xie et al., 2008）を適用した。
• 5つの農業的要因とESVとの間の空間的に変化する関係を分析するため、局所的地理的重み付き回帰（GWR）モデルを構築した。
• 説明変数の予測における相対的重要度を推定するために、マルチレイヤーパーセプトロン（MLP）ベースの人工ニューラルネットワーク（ANN）を採用した。
• 分類精度（94.4％）とスンダーバンズ地域のマングローブクラスの補正値をフィールドバリデーションに基づいてモデルの妥当性を検証した。
• 作物生産統計および灌漑データを統合し、エコレジオン全体における農業の集積化および拡大のダイナミクスを表現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1985年から2005年までのインドにおけるグリーンレボリューションに起因する農業拡大は、総エコシステムサービス価値（ESV）にどのように影響を与えたか？
• RQ2 総作物面積（TCA）、作物生産（CP）、作物単位収量（CY）、効率的灌漑面積（NIA）、複植指数（CI）といった農業的要因の中で、インドのエコレジオン全体でESVに最も顕著な影響を与えるのはどれか？
• RQ3 この研究期間中に、エコシステムタイプ（例：耕作地、森林、水体）ごとの寄与度が総ESVに占める割合はどの程度か？
• RQ4 農業的要因の累積的および個別の影響は、インドのエコレジオン全体でどのように空間的に変化しているか？
• RQ5 農業の集積化と、森林や湿地帯といった高価値の自然エコシステムの保全の間には、どのようなトレードオフが生じているか？

主な発見

• インドの総エコシステムサービス価値（ESV）は、1985年の8290億ドルから2005年には8450億ドルに上昇し、20年間で160億ドルの純増加を示した。
• 耕作地がESVの最も高い割合を占め、1985年の3893.2億ドルから2005年には4025.4億ドルに上昇した。これは農業拡大に起因し、132.2億ドルの純増加であった。
• ESV予測モデルにおける分散の最も高い割合を占めたのは総作物面積（TCA）であり、次いで効率的灌漑面積（NIA）、作物生産（CP）、作物単位収量（CY）、複植指数（CI）の順であった。
• TCA、NIA、CPはESVと強く正の相関関係を示したが、作物単位収量（CY）は負の相関関係を示し、高収量における収益の逓減または生態的コストの可能性を示唆した。
• 複植指数（CI）はESVと有意な相関関係を示さず、耕作頻度の増加が必ずしもエコシステムサービスの供与を向上させるわけではないことを示した。
• 水の調節、土壌形成、生物多様性の維持が、金銭的価値の観点で上位3つのエコシステムサービスであり、これら3つが総ESVの50％以上を占めた。