[論文レビュー] Estimating resilience of annual crop production systems: theory and limitations

Matteo Zampieri, Christof J. Weissteiner+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2019

Climate change impacts on agriculture参考文献 35被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、元のレジリエンス定義から導出された、収量データの平均と分散に基づく、年間作物生産システムにおけるレジリエンスを推定する簡素化された数学的指標を提案する。概念的作物モデルを用いた数値実験を通じて、この指標が気候変動の変動と極端な出来事の頻度の変化の下でも、レジリエンスを効果的に捉えられることを示している一方で、実世界への応用における限界と、作物多様性の役割も浮き彫りにしている。

ABSTRACT

Agricultural production is affected by climate extremes, which are increasing because of global warming. This motivates the need of a proper evaluation of the agricultural production systems resilience to enhance food security, market stability, and the general ability of society to cope with the effects of climate change. Resilience is generally assessed through holistic approaches involving a large number of indicators for the environmental, social and economic factors that influence food availability, access and utilization. Here, we investigate the problem of measuring resilience in a simplified framework, focusing on the crop production component of the agricultural system. For an idealized production system composed of a single crop, using the original definition of resilience, we identify the best combination of the mean and the variance of annual crop production data to estimate crop resilience i.e. the crop resilience indicator. Through numerical experiments conducted with a conceptual crop model, we show the general properties of this indicator applied to production systems for different levels of adaptation to climate variability and in case of increasing frequencies of extreme events. Finally, we discuss the applicability of the proposed approach to real agricultural production systems and the expected effects of crop diversity on the resilience of crop production systems, following directly from the mathematical definition of the crop resilience indicator.

研究の動機と目的

• 収量の統計的性質に基づき、年間作物生産システムのための簡素化された定量的レジリエンス指標を開発すること。
• 気候変動の変動レベルと極端な出来事の頻度の増加の下での、この指標の性能を評価すること。
• この指標の実農業システムへの適用可能性と、作物多様性に与える影響を評価すること。
• 平均と分散をレジリエンスの代理指標として用いることの理論的および実践的限界を特定すること。

提案手法

• レジリエンス指標は、元のレジリエンス定義に基づき、摂動からの回復に焦点を当てて導出された。
• 指標は、年間収量の平均と分散の関数として定式化され、システムの安定性とショックへの反応を表している。
• 異なる適応レベルと極端な出来事の頻度を想定した概念的作物モデルを用いて、数値実験が実施された。
• モデルは、多様な気候シナリオにおいて指標の感度と頑健性をテストするための合成収量時系列を生成した。
• 複数の作物系における指標の数学的性質に基づき、作物多様性がレジリエンス指標に与える影響が分析された。
• データ品質と変動性の影響を評価するため、感度分析が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 年間作物生産システムにおけるレジリエンスは、収量データの平均と分散のみを用いてどのように推定できるか？
• RQ2 気候極端現象の頻度が増加し、適応レベルが変化する条件下で、レジリエンス指標はどのように性能を発揮するか？
• RQ3 実世界の農業システムにおいて、平均と分散をレジリエンスの代理指標として用いることの理論的限界は何か？
• RQ4 数学的定式化に基づくと、作物多様性はレジリエンス指標にどのように影響を与えるか？
• RQ5 この簡素化された指標は、農業システムの真のレジリエンスをどの程度正確に捉えることができるか？

主な発見

• 収量の平均と分散に基づく提案されたレジリエンス指標は、異なる気候条件と適応レベルの下でも、システムのレジリエンスを的確に捉えている。
• 指標は、収量の分散が低く、平均収量が高いシステムで高い値を示し、それによりレジリエンスが高まっていることを示している。
• 極端な出来事が頻発するようになると、指標はレジリエンスの低下を効果的に反映しており、特に分散が増加する場合に顕著である。
• 指標の性能は、収量時系列におけるデータ品質と外れ値の有無に敏感である。
• 作物多様性は、複数作物系における総合的分散を低くするため、数学的にレジリエンス指標を高める。これは、多様性がシステム安定性を向上させる役割を果たしていることを裏付けている。
• 本研究では、非線形ダイナミクスやフィードバック機構が考慮されていないことによる、実システムへの応用における主な限界が特定された。