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

François Lavallée, Charline Smadi+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2019

Ecology and Vegetation Dynamics Studies参考文献 66被引用 8

一句话总结

本研究開發了一個隨機個體為基礎的模型，用於模擬刈割管理下日本薊植株群的動態，並根據野外數據校準參數。研究識別出根除的臨界閾值，顯示只要持續刈割一段最低時長（取決於初始群體規模與刈割頻率），即可實現植株群的消除。

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.

研究动机与目标

• 開發一個機制性、隨機個體為基礎的模型，以捕捉日本薊植株群的生長與空間動態。
• 在模型中納入刈割作為管理干預措施，並根據個體的大小與位置考慮其個體層級反應。
• 利用關於生物量生長、死亡率與擴散的實地數據校準模型參數。
• 評估初始群體規模、每年刈割次數與專案持續時間對植株群持續存在或根除的影響。
• 識別出實現植株群完全根除所需的最短管理時長與刈割強度。

提出的方法

• 模型將個體冠層視為具有動態生物量、位置與依大小而變的生長與死亡率的獨立實體。
• 生物量生長遵循密度依賴的邏輯斯蒂函數，參數經由實地數據校準。
• 刈割影響透過基於生物量的函數建模，根據刈割頻率與強度降低個體生物量。
• 新個體的擴散由伽馬分佈的距離函數控制，並設有空間限制以防止過度擁擠。
• 採用連續時間、個體層級的事件驅動演算法控制狀態轉移：出生、死亡或刈割，事件發生時間從指數分配中抽取。
• 初始群體透過低刈割壓力的迭代模擬產生，以允許在正式管理開始前先建立群體。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同初始群體規模下，根除日本薊植株群所需的最短刈割管理時長為何？
• RQ2 每年的刈割次數如何影響植株群根除的機率？
• RQ3 初始群體規模與長期成功控制機率之間的關係為何？
• RQ4 個體層級的過程（如生物量生長、死亡率與擴散）如何影響刈割條件下的群體層級動態？
• RQ5 在何種刈割強度與時長下，系統會從持續存在轉變為根除？

主要发现

• 只有在根據初始群體規模，持續施加刈割至最低時長時，日本薊植株群才可被根除。
• 初始群體規模較大的植株群即使頻繁刈割，也需顯著更長的管理時程才能達成根除。
• 模型識別出約12至15年的連續刈割（每年2至3次）為中等規模植株群根除的臨界閾值。
• 刈割頻率具有非線性影響：由每年1次增加至2次可顯著降低平均植株群面積，但進一步增加則回報遞減。
• 模型預測，若無刈割，植株群將快速增長，在理想條件下10年內每株冠層生物量可超過1000克。
• 高頻率與長時程刈割的結合可使平均植株群面積降至接近零，確認長時間且持續的刈割對根除至關重要。