[논문 리뷰] A spatially extended model to assess the role of landscape structure on the pollination service of Apis mellifera

Julien Joseph, Fernanda Santibáñez외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 19.

Plant and animal studies참고 문헌 33인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 이질적인 환경에서 꿀벌 *Apis mellifera*의 수확 행동, 둥지 동역학, 수분 서비스를 공간적으로 명시적으로 모의하는 모델을 제시한다. 꿀의 고갈, 수분, 제한된 환경 지식을 가진 확률적 수확 행동 간의 피드백을 통합함으로써, 고정된 비율의 자연 서식지가 존재할 경우 최적의 서식지 조각 크기가 수분 효율성을 극대화함을 드러내며, 이는 경관 구성이 생태적 집약화에 있어 핵심적임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 경관 구조—특히 자연 서식지 조각의 구성과 크기—가 *Apis mellifera*의 수분 서비스에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 한정된 공간 지식과 둥지 간 경쟁을 포함한 현실적인 수확 행동을 포괄하는 기계적 모델을 개발하기 위해.
• 자연 서식지 비율과 수분 효율성 간의 상호 교환 관계를 평가하여 최적의 경관 구성 조건을 규명하기 위해.
• 농가, 꿀벌 기르는 사람, 정책 입안자들이 농지 이용 변화가 수분 서비스에 미치는 영향을 평가할 수 있는 도구를 제공하기 위해.
• 기존 모델의 격차를 메우기 위해 수분 피드백, 개체군 간 경쟁, 확률적 자원 선택을 통합하기 위해.

제안 방법

• 모델는 거리, 자원 가용성, 이웃 조각의 조건을 기반으로 한 확률적 접근을 사용하여 개별 꿀벌의 매일 수확 여정을 시뮬레이션한다.
• 꽃 자원 모델은 꿀 재생, 수분 성공률, 반복 방문으로 인한 손상을 고려하여 동적으로 구성된다.
• 둥지 인구 역학은 아르헨티나 리오 뉴에고 지역에 맞게 校정된 생물학적으로 타당한 모델을 따르며, 매개변수를 설정한다.
• 둥지 간 경쟁은 단기적 자원 고갈을 통해 모의되며, 실제 수확 제약 조건을 반영한다.
• 공간 해상도는 10 m이며, 3 km × 3 km 격자로 구성되며, 시간 단위는 매일로 설정되어 전체 한 해 동안의 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 모델는 GIS 기반 토지 이용 지도를 사용하며, 수확 능력, 여정 빈도, 수확자당 꿀 양과 같은 실측 자료를 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자연 서식지 조각의 공간적 구성이 *Apis mellifera*의 수분 서비스에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고정된 비율의 자연 서식지가 존재할 경우, 수분 효율성을 극대화하는 자연 서식지 조각의 최적 크기는 무엇인가?
• RQ3 제한된 수확 범위와 자원 고갈로 인한 둥지 간 경쟁은 수분 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 수확자가 자원 분포를 제한된 지식으로만 인지할 경우, 수분 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 꿀 추출, 수분, 꽃 피는 것 간의 피드백 메커니즘이 장기적인 수분 서비스에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 고정된 비율의 자연 서식지가 존재할 경우 최적의 서식지 조각 크기가 존재하며, 이는 경관 구성이 총 서식지 면적만큼 중요한 요소임을 시사한다.
• 자연 서식지 조각이 너무 작거나 너무 클 경우 수분 효율성이 감소하며, 중간 크기의 조각에서 최고 성능를 기록한다.
• 모델는 강한 경쟁이 과다 방문을 유도하고, 자원 재생 속도보다 빠르게 고갈될 경우 수분 효율성이 감소함을 보여준다.
• 꿀 생산과 과실 형성은 경관 구조에 매우 민감하며, 이는 주로 고도의 경쟁과 과다 방문 조건에서 두드러진다.
• 모델는 자연 서식지를 최적 기준을 초과해 증가시켜도 수분 서비스가 감소할 수 있음을 예측한다. 이는 더 높은 꿀벌 개체군을 지원하더라도 마찬가지이다.
• 모델는 *Apis mellifera*의 수확 행동, 특히 확률적 자원 선택과 제한된 환경 지식이 수분의 공간적 패턴에 중대한 영향을 미침을 입증한다.