[论文解读] A spatially extended model to assess the role of landscape structure on the pollination service of Apis mellifera

Julien Joseph, Fernanda Santibáñez+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2019

Plant and animal studies参考文献 33被引用 12

一句话总结

本研究提出了一种空间显式模型，用于模拟 *Apis mellifera* 的觅食行为、蜂巢动态以及在异质景观中的传粉服务。通过整合花蜜耗竭、传粉与有限环境知识下的概率性觅食之间的反馈机制，该模型揭示：在自然土地比例固定的情况下，存在一个最优的自然栖息地斑块大小，可使传粉效率最大化，凸显景观配置在生态集约化中的关键作用。

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.

研究动机与目标

• 理解景观结构——特别是自然栖息地斑块的配置与大小——如何影响 *Apis mellifera* 的传粉服务。
• 开发一个机制性模型，以捕捉真实的觅食行为，包括有限的空间知识以及蜂群之间的竞争。
• 评估自然栖息地比例与传粉效率之间的权衡，识别最优的景观配置。
• 为农民、养蜂人和政策制定者提供一种工具，用以评估土地利用变化对传粉服务的影响。
• 通过整合传粉反馈、蜂群间竞争以及概率性站点选择，弥合现有模型的空白。

提出的方法

• 该模型采用基于距离、资源可获得性以及邻近斑块状况的概率方法，模拟个体蜜蜂的每日觅食行程。
• 其包含一个动态的花资源模型，考虑花蜜再生、传粉成功率以及重复访问造成的损伤。
• 蜂群种群动态遵循基于生物学的模型，参数针对阿根廷里奥内 Gro 省进行了校准。
• 通过短期资源耗竭来模拟蜂群间的竞争，反映现实中的觅食限制。
• 空间分辨率为 10 米，网格大小为 3 公里 × 3 公里，时间步长为每日，可实现一整个季节的模拟。
• 模型使用基于 GIS 的土地覆盖图，并整合了关于觅食能力、行程频率以及每只觅食蜂的花蜜负载的实证数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 自然栖息地斑块的空间配置在多大程度上影响 *Apis mellifera* 提供的传粉服务？
• RQ2 在自然土地比例固定的情况下，自然栖息地斑块的最优尺寸是什么，可使传粉效率最大化？
• RQ3 由于觅食范围有限和资源耗竭导致的蜂群间竞争，如何影响传粉结果？
• RQ4 觅食者对资源分布的有限知识在多大程度上影响传粉效率？
• RQ5 花蜜提取、传粉与花朵开花之间的反馈机制如何塑造长期的传粉服务？

主要发现

• 存在一个最优的自然栖息地斑块大小，可在自然土地比例固定的情况下使传粉服务最大化，表明景观配置的重要性不亚于总栖息地面积。
• 当自然栖息地斑块过小或过大时，传粉效率均会下降，最佳性能出现在中等大小的斑块上。
• 模型显示，强烈竞争会导致过度访问，从而降低传粉效率，尤其是在资源耗竭速度超过再生速度时。
• 蜂蜜产量和果实坐果率对景观结构高度敏感，仅在高竞争和过度访问条件下才会显现差异。
• 模型预测，若自然栖息地面积超过最优阈值，即使支持更高的蜜蜂种群数量，也可能导致传粉服务减少。
• 模型表明，*Apis mellifera* 的觅食行为，包括概率性站点选择和有限的环境知识，显著影响传粉的空间格局。