[논문 리뷰] A stochastic individual based model for the growth of a stand of Japanese knotweed including mowing as a management technique

François Lavallée, Charline Smadi외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 19.

Ecology and Vegetation Dynamics Studies참고 문헌 66인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 현장 데이터에서 캘리브레이션된 파라미터를 사용하여 벤치마킹 관리 하에서 일본고추밥나물 군집의 역학을 시뮬레이션하기 위해 확률적 개별 기반 모델을 개발한다. 이 모델은 제거를 위한 임계 임계값을 규명하여, 초기 군집 크기와 벤치마킹 빈도에 따라 최소한의 기간 동안 지속적인 벤치마킹이 이루어질 경우 군집 제거가 가능하다고 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 일본고추밥나물 군집의 성장과 공간 역학을 포괄하는 기계적이고 확률적인 개별 기반 모델을 개발하기 위해.
• 모델 내에서 개인 수준의 반응(크기와 위치 기반)을 고려하여 벤치마킹을 관리 개입 수단으로 통합하기 위해.
• 생체량 성장, 생존율, 산산이 퍼짐 등의 현장 데이터를 사용하여 모델 파라미터를 캘리브레이션하기 위해.
• 초기 군집 크기, 연간 벤치마킹 빈도, 프로젝트 기간이 군집 지속성 또는 제거에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 완전한 군집 제거를 달성하기 위해 필요한 최소한의 관리 기간과 벤치마킹 강도를 규명하기 위해.

제안 방법

• 모델은 개별 코어를 동적 생체량, 위치, 크기 기반 성장 및 생존율을 가진 이산적 실체로 시뮬레이션한다.
• 생체량 성장은 현장 데이터에 캘리브레이션된 파라미터를 가진 밀도에 따라 결정되는 로지스틱 함수를 따른다.
• 벤치마킹 효과는 생체량에 따라 결정되는 함수를 통해 모델링되며, 벤치마킹 빈도와 강도에 따라 개인의 생체량을 감소시킨다.
• 새로운 개체의 산산이 퍼짐은 감마 분포를 따르는 거리 함수에 의해 지배되며, 과밀을 방지하기 위해 공간 제약 조건이 적용된다.
• 연속 시간, 개인 수준의 이벤트 주도 알고리즘이 전이를 제어한다: 출생, 사망, 또는 벤치마킹이며, 이벤트 발생 시간은 지수 분포에서 추출된다.
• 초기 군집은 낮은 벤치마킹 압력을 가진 반복 시뮬레이션을 통해 생성되어, 전체 관리 시작 전에 정착이 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 초기 군집 크기 조건에서 일본고추밥나물 군집을 제거하기 위해 필요한 최소한의 벤치마킹 기간은 얼마인가?
• RQ2 연간 벤치마킹 횟수가 군집 제거 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 초기 군집 크기와 장기적 통제 성공 가능성 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 생체량 성장, 생존율, 산산이 퍼짐 등의 개인 수준 과정이 벤치마킹 하에서 군집 수준의 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 어느 정도의 벤치마킹 강도와 기간에서 시스템은 지속성에서 제거로 전환되는가?

주요 결과

• 일본고추밥나물 군집의 제거는 초기 군집 크기에 따라 달라지는 최소한의 기간 동안 일관된 벤치마킹이 이루어질 경우에만 가능하다.
• 초기 군집 크기가 클수록, 심지어 빈번한 벤치마킹을 적용하더라도 제거를 위한 관리 기간이 크게 증가한다.
• 모델은 중간 크기의 군집에 대해 약 12~15년간 매년 2~3회 벤치마킹을 지속할 경우 제거가 가능하다는 임계 임계값을 규명하였다.
• 벤치마킹 빈도는 비선형적 영향을 미친다: 연간 1회에서 2회로 증가할 경우 평균 군집 면적이 크게 감소하지만, 추가 증가는 수익 감소 효과를 보인다.
• 벤치마킹이 이루어지지 않을 경우, 군집은 빠르게 성장하여 이상적인 조건에서 10년 이내에 코어당 생체량이 1000g을 초과한다.
• 높은 벤치마킹 빈도와 장기적인 기간의 조합은 평균 군집 면적을 거의 0으로 줄이며, 이는 장기간에 걸친 일관된 벤치마킹이 제거에 필수적임을 확인한다.