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Rebaudo F。,2015 o .动不动就。。适应性管理作物害虫控制面对气候变化:一个基于主体的建模方法。生态和社会 20.(2):18。
http://dx.doi.org/10.5751/es - 07511 - 200218
适应性管理作物害虫控制面对气候变化:一个基于主体的建模方法
文摘
beplay竞技气候变化正在发生迅速在区域和全球尺度上。农民面临的挑战,开发新的农业实践,帮助他们应对不可预测环境的变化,社会和经济条件。在这种情况下,自适应管理需要一个农民学习通过监测临时策略和不断变化的环境,然后逐步调整管理实践的新信息。探索适应管理将提高我们理解底层的过程,把农民的社会与环境在时间和空间,而占不可预知的气候的影响。这里,我们评估的影响温度和作物的价格,作为代理人对气候和经济的变化,农民的适应性管理作物害虫控制使用一个基于主体的建模方法。我们的模型模拟人工社会的农民依赖字段数据获得在厄瓜多尔的安第斯山脉。农民表示为异构自治代理相互作用和相互影响,并能够适应不断变化的环境条件。我们的模拟结果表明,变量温度导致更有效的害虫防治策略比稳定的温度下使用。此外,农民使用信息通过他们自己的过去的经验或通过交互与其他农民发起一个自适应的管理方法。本研究在更广泛的范围内,生成一个多增加了解适应性管理; it highlights how people depend on one another to manage common problems.介绍
迅速和不可预知的气候的变化在区域和全球尺度上迫使农业生态系统的利益相关者开发新的管理实践(佩雷斯et al . 2010年)。传统管理实践通常假定环境和社会经济环境将可预见的和大致相同的长期(Darnhoffer et al . 2010年)。现有的管理实践将在这种假设下很好地工作(谢伊et al . 2002年)。然而,条件下,社会、经济和生态因子变化迅速或不可预测,稳态管理不再是足够的(et al。2012)。农民必须应对不确定性的来源保持农业可持续发展和维护食品安全(Darnhoffer et al . 2010年)。
适应性管理(我)是“一个系统的过程不断改进管理政策和实践通过学习从以前雇佣政策和做法的结果”(意味着2005)。是提供了一种方法来适应变化和不确定性。下,农民通过监测临时学习策略和不断变化的环境,然后增量调整他们的管理实践,以应对他们所学到的et al。(2012)。对1970年代末出现的概念作为一种提高自然资源管理(温和1978)。然而,直到最近,我已经应用于农作物保护问题(刘易斯等人。1997年,谢伊et al . 2002年)。
谢伊et al。(2002),在他们的论文,令人信服地说明我是一个最好的方法来控制害虫在面对不确定性时。大多数小规模农民从自己先前的结果在害虫防治。但是他们通常缺乏了解整个管理系统的框架,他们需要做什么才能提高害虫控制广泛的空间和时间尺度。虽然传统农业社区通常非常有弹性(佩雷斯et al . 2010),前所未有的气候和经济变化可能把他们超出了他们的范围的适应性。我可以为他们提供有用的新方法来适应变化和不确定性。
农业生态系统是生态系统中人类起着关键的作用在管理景观和影响其时空动态(卡贝尔2012年Oelofse, Rounsevell et al . 2012年)。在害虫防治的研究必须考虑气候之间复杂的交互(如温度),生态(如害虫种群动态)和社会经济系统。
基于代理模型(基于动因的模型)提供了一个理想的方法论框架代表耦合系统(刘et al . 2007年)和集成一个维度代表农民的决策,这是我的核心(2012)。反弹道导弹、代理异构和自治实体相互作用,适用于明确代表决策的复杂性(沃特金斯et al . 2013年)。因此,基于动因的模型可以形式化和测试假设的条件复杂的模式在管理实践过程中就会出现一组观察behavior-response函数(2008年Zellner Rounsevell et al . 2012年)。基于动因的模型已经应用到各种各样的情况在过去的20到30年,如系统受土地利用和土地覆盖的变化(例如,帕克等人。2003年,马修斯et al . 2007年)和资源管理和保护(例如,布恩等人。2011年,帕洛特et al . 2012年,沃特金斯et al . 2013年)。虽然很少有研究关注农业系统(例如,2001年伯杰,哈佩et al . 2006年,Speelman Garcia-Barrios 2010 Schreinemachers 2011年伯杰,苔星体et al . 2012年),很少有人注意到农业害虫管理(卡拉斯科et al . 2010年,2012年,Rebaudo和动不动就2011,2013)。
在这里,我们评估的影响气候和经济变化对农民的适应性管理农业害虫防治在厄瓜多尔的安第斯山脉。作为一个研究模型,我们使用了马铃薯块茎蛾Tecia solanivora危地马拉的入侵物种,被介绍给南美通过出没的土豆种子从哥斯达黎加进口很可能在1990年代末(Torres-Leguizamon et al . 2011年)。因为它的经济重要性和其成功入侵的能力的新的生产领域厄瓜多尔的安第斯山脉,t . solanivora代表的一个主要害虫的问题在该地区(悬吊et al。2009年,Crespo-Perez et al . 2011年)。
t . solanivora是一个很好的候选人建立反弹道导弹在害虫控制的两个主要原因:(1)人口动力学已经记录并实施到spatially-explicit景观模型(Crespo-Perez et al . 2011年)和(2)农民使用来控制它的决策过程作了详细研究(裴瑞兹悬吊et al。2010年,2010年,Rebaudo和动不动就2011)。
我们的研究的主要目的是考察气候和经济变化,表现为温度的波动和农作物价格稳定的意思是,影响害虫管理实践的个体农民和随后的害虫防治策略在社区一级。我们开发了一个模型来模拟人工社会的农民在厄瓜多尔农业生态系统,对现场数据进行参数化。然后我们使用这一模型来探索农民使用,即。下,他们的能力适应他们的害虫管理实践的不确定性,通过不同场景的气候和经济变化。我们特别感兴趣的探索在社区层面,作为一个集体是由个体农民。我们总结我们的研究结果的讨论,强调对害虫防治适应性管理的影响。
方法
我们的模拟进行了使用这一模型,允许我们代表(1)异构农业景观,(2)作物害虫种群动态,和(3)人类管理庄稼(Filatova et al . 2013年)。这个生态系统是受气候和经济变化,表示为温度和作物价格的波动在一个稳定的意思。可变性送入农民的害虫管理实践,这可能使他们提高他们的作物生产。农民对害虫损害基于他们的认知,用不同的行为系统的经验,和个人表示(心智模型,看到琼斯et al . 2011年)。模型结构的表示在图1中,提供包括景观、害虫、人类和经济的子。
整体与景观子模型,模型初始化,农民都位于一起作物害虫。每个时间步模型中包括以下过程:(1)经济和气候变化,(2)害虫繁殖,(3)农民成功控制害虫(害虫控制)和适应性管理,(4)害虫色散。的源代码和文档模型跟随的协议(格林et al . 2010年)和奇+ D协议(穆勒et al . 2013年)可在openabm.org平台(https://www.openabm.org/model/4128/,模型MANPEST)。该模型使用可替换主体可编程实现的建模环境NetLogo版本5.1.0(奥巴马1999)。分析使用R软件(R核心团队2014)。
景观子模型
我们开发了一个空间显式表示土地利用农业景观在厄瓜多尔的安第斯(Crespo-Perez et al . 2011年)。农业景观分为农户平均面积为1.6±1公顷,农户在厄瓜多尔的安第斯山脉(·恩圭马et al . 2013年)。整体景观覆盖面积1000公顷(2000 x 5000 m,它对应于约600个农场),并被表示为一个矩阵的4000个细胞(50米的分辨率)用泰森多边形法镶嵌(奥沙利文和佩里2013)。我们使用两个场景表示温度。第一个场景中,称为场景没有温度变化,依赖于温度的厄瓜多尔的安第斯山脉的6个月(一个时间步模型),对应于15度在2500米左右。我们观察到在这个时间规模小的变化温度(不到1度),据悬吊et al。(2008年,附录A)。第二个场景中,随温度变化称为场景,建于获得温度范围外的害虫生存(Crespo-Perez et al . 2011年),通过随机选择一个温度在15度的高斯分布集中,标准偏差的模型中每一个时间步。在空间和景观被认为是热均匀波动。
这种害虫的子模型
我们的害虫种群动态子模型模拟的马铃薯块茎蛾Tecia solanivora(悬吊et al。2009年,Crespo-Perez et al . 2011年)。其发展主要是由温度。之间的关系t . solanivora生存和温度可以安装由夏普和DeMichele模型中的步骤(动不动et al . 2008和无花果。A1.1)。
的种群动态t . solanivora是通过有着生理基础模型建模的详细Crespo-Perez et al . 2011。简单来讲,t . solanivora模型模拟的时空动态害虫的空间显式的景观。一次一步模型对应于一个t . solanivora代,或大约六个月。这个模型被验证使用四年的野外数据(Crespo-Perez et al . 2011年)。
的t . solanivora模型修改在本研究中,以适应景观尺度的变化通过色散适应景观决议。景观的影响决议害虫动态验证了通过比较平均散布距离在不同的决议,确保我们繁殖种群动态和空间分布。没有观察到显著差异之间的原始模型和适应模型(平均传播距离之间的学生的学习任务:T= -1.4567,df= 89.435,假定值= 0.1487)。
经济子模型(土豆价格变化)
经济子模型代表土豆价格的变化,农业收入作为一个代理在人类子模型(图1)。它认为每月土豆价格在1990年和2005年之间(数据从SIGAGRO Coordinacion Consejo Consultivo爸爸)。这些数据显示增加价格从1990年到2005年(线性回归,F= 18.6,df= 1/190,假定值< 0.05)。因为我们有兴趣测试经济变化的影响(土豆价格时间序列的随机组成部分,见图A1.2),我们使用了一个加法模型以适应数据(Cowpertwait和梅特卡夫2009)。正常化和分解时间序列做一次减去这一趋势,我们获得了预期的土豆价格随时间的变化。土豆价格平均值的标准偏差为26.7 100 (CI95%= (89.7;109.6]),Gaussian-like分布(Shapiro-Wilk正常测试的随机组件土豆价格:W= 0.96;假定值= 0.38)。我们使用这个分布来模拟经济变化。我们认为土豆价格没有影响农民是否决定种植土豆,即。每年,相同的地区种植。
人类的子模型
农民的害虫管理实践及其在害虫防治的成功经验
我们代表着人工厄瓜多尔农民协会(马铃薯种植者)不得不面对农业害虫入侵的最佳害虫管理实践几乎是未知的。农民初始化分别与一组害虫管理实践,确定其控制害虫的能力。害虫管理实践将再现观察到厄瓜多尔的安第斯山脉的虫害控制。人类的子模型与害虫子模型,如害虫种群动态取决于人类的害虫管理策略和温度。
在我们的模拟中,农民是有限的认知资源(贼鸥et al . 2000年)。他们不能区分结果归因于害虫管理实践和归因于气候变化。当农民的收入或害虫侵扰不再令人满意的水平,适应他们的害虫管理实践基于信息从其他农民或自己的过去的经验。
正如前面所示Rebaudo悬吊(2011),厄瓜多尔农民所使用的具体的管理实践影响如何t . solanivora是控制。例如,土豆起垄高更有效地控制马铃薯蛾幼虫比低培土。这个例子表明,在某种程度上,害虫管理实践的有效性可以定量评估。在我们的模型中,我们定量害虫管理实践的集合表示为一个向量的维度N。害虫管理实践主要是预防措施,如清洗店房间,起垄土豆,执行长的作物轮作,也适当治疗措施,如使用杀虫剂(动不动et al . 2010年)。每一个害虫管理实践n我对应于一个值,这可以与理论最优值n0,它是害虫的最大死亡率在一个特定的害虫管理实践。
方程1代表一个农夫害虫管理实践之间的平均距离和最佳的害虫管理实践,Δ实践。
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(1) |
N害虫管理实践的是向量的维数,n我每个内的害虫管理实践N(n我从0到100)n0最优害虫管理实践。
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(2) |
方程2描述了如何有效地控制农民t . solanivora(见Rebaudo,动不动就2011)。病虫害防治是特定于单个农场。农民被随机分配害虫管理策略基于已知的分布在厄瓜多尔使用的策略。这些策略保存在每个时间步的仿真。
农民的行为
面对新出现的威胁和相关的不确定性,农民的害虫管理实践的发展作为一个自组织过程将这里称为(理智谢伊et al . 2002年)。在模型中,我们代表的是农民的能力改变他们的害虫管理实践。害虫管理实践变化多样的形式根据农民的行为,固定为每个单独的农民。
在厄瓜多尔北部,裴瑞兹(2010)阐述了类型学的农民的生产根据他们的模型,他们如何评价成功,以及他们如何做出决定。我们确定了五种类型的农民:传统,实验者,厌恶风险,冒险者,反对改变。所有行为并存的社区农民,但行为总是被描述为主导。的比较见表1农民的行为。
两个关键特性区分不同类型的农民:(1)他们使用什么信息,使害虫管理决策和(2)如何评估他们的害虫管理实践已经是否成功。农民使用的信息决定是否以及如何改变他们的害虫管理实践可以从观察其他农民或来自评估自己的过去的成功。传统和厌恶风险的农民以他们的害虫管理决策感知别人的农民的个人成功。他们将首先评估的例子,然后将改变害虫管理实践基于他们的观察。相比之下,实验者和冒险者害虫管理决策基于他们自己的个人成功。他们首先评估他们过去的成功实践,并比较当前的成功实践。他们保持实践他们认为最有效的尝试在未来作物周期。
许多农民,在我们的案例中,实验者和厌恶风险的农民,间接估计害虫控制措施的有效性。他们可以使用代理等领域大量的害虫(Railsback和约翰逊2011)或虫害的数量(卡普et al . 2013年)。他们是类型学中描述为“独立于市场。“其他的农民,在我们的案例中,传统农民和冒险者,可以估计的有效性从他们的作物病虫害防治使用经济回报(低于et al . 2012年)。注意,averse-to-change农民不适应他们的害虫管理实践,所以不需要决定何时改变或评价标准的成功。
改变农民的认知和意愿
在我们的模型中,农民能够感知害虫侵扰的水平在他们自己的领域和他们的邻居的字段(参见图2)。他们评估害虫侵扰程度在邻近的农场劳动交换期间虽然分成制或安排,共同实践在厄瓜多尔的安第斯山脉裴瑞兹(2010)。农民农业收入评估时在市场出售他们的作物,所以农场收入取决于整体生产。
基于实地调查执行由我们的团队在厄瓜多尔(o .动不动就和f . Rebaudo未出版的手稿)我们假设每个农民可以评估这两个变量和害虫管理实践在过去两年。(这里指修改在害虫管理实践),因此应对一些农民之间的交互,对自己和其他农民成功,虫害的观察,和经济回报。
模型验证、模拟和分析
我们人类子模型依赖于定性描述基于个人观察和文献调查。校准农民行为考虑整个模型和其所有的子,我们优化的强度变化的害虫管理实践复制的模式量化裴瑞兹(2010)。实验者和冒险者有更高收入的波动而厌恶风险和传统农民。这种优化确保所选择的行为产生现实的输出(例如,图A1.3)。我们也检查,可能的值的范围内的强度变化的传播害虫管理实践与农业信息传播的研究是一致的(例如,在Rebaudo Bass模型和动不动就2011)。
农民的适应性管理定义为一组修改的害虫管理实践,允许农民限制害虫侵扰和改善他们的农场收入在经济和气候环境(温度)的变化。我们利用模型模拟来评估可能影响温度和经济变化对农民的虫害控制。我们模拟的大约600农民每30重复仿真,N= 5害虫管理实践从n我= 0到100(在模型结果没有区别N> 5),而理论最优值n0= 50。首先,我们计算农民的害虫控制50年(即。100时间步使用的意思是害虫防治的农民30模拟重复)。
我们描述了生成的曲线,分析了温度和经济变化的影响通过方差分析农民的害虫控制在50年(即,害虫控制温度变化~ *经济变化)。我们执行这个分析整个社区的农民和农民行为的所有设置。害虫管理实践的多样性是由标准差表示。标准差比较所有的农民行为50年后使用学生的t。
结果
气候和经济变化对农民的影响害虫控制
模拟显示,农民提高害虫控制时间在所有场景中(图3)。然而,我们发现,这种改进是少得多当温度变量(方差分析农民的害虫控制在50年之后,F= 3189,df= 1/9532,假定值< 0.05;对应于害虫减少10%)。相比之下,对农民的经济变化没有显著影响害虫控制时间(方差分析对农民的害虫控制在50年之后,F= 0.4,df= 1/4764,假定值= 0.52)。因为场景,包括经济变化没有显示出对害虫防治的影响相比,没有经济变化的场景中,我们关注温度变化的影响。
我们评估不同的农民的行为是如何影响他们的社区如何使用自适应管理对温度变化的反应。所有农民,虫害控制在25到50年明显不同(重大学生成对t农民行为之间没有温度变化)。温度变化对害虫防治的影响随农民的行为。厌恶风险的农民控制害虫最成功的不变的条件下,但当温度变化是包含在模型(图3和3 b),传统农民控制害虫最成功的地方。这也是对社区由实验者和风险takers-their害虫控制策略比传统的农民不太有效,当温度变化是包括在模型中。
气候变化影响害虫管理实践的多样性
我们评估社区的害虫管理实践的异质性是受到温度变化的影响。多个重复(30)相同的仿真不经济或温度变化显示所有农民害虫防治策略同样有效的50年后(简历= 0.02)。我们观察到一个更高的变异系数(简历= 0.08)包括温度变化时模型中(图3)。
标准差在害虫管理实践在50年明显高于模拟,包括温度变化(学生的学习任务,t= -20.5,df= 36.8,假定值< 0.05)。25年之后稳定(见图4)。农民不同的害虫管理实践共存和维护。
异质性在害虫管理实践减少50多年当模型不包括温度变化,导致同质化的害虫管理实践。这一结果应用于所有社区,无论占主导地位的农民的行为。
讨论
我们的建模方法是基于强大的经验背景的害虫种群动态和农民的害虫管理行为。这种方法仍然是探索性的,必须小心应用于现实世界(Grune-Yanoff 2009)。然而,我们认为我们的方法提出了一种新颖的方法来探索和预测气候和经济不确定性的后果在农民使用自适应管理害虫控制。
影响气候和经济变化对农民的虫害控制
我们的研究显示,努力处理常见问题,如农业害虫效果会减弱的背景下气候变化。不确定性是常见的生物系统和中央适应性管理的概念(球场骚乱et al . 2013年)。在我们的模型中,自适应管理出现在农业生态系统中的生态相互作用过程中,包括应对不确定性。我们的建模方法支持自适应管理将有效有很多不确定性,但它需要更多的时间来达到同样水平的控制比在一个没有变化的情况。
在他们的研究在巴厘岛水神庙,兰辛和米勒(2005)表明,社区范围内响应可以摆脱病虫害治理等常见问题。从这个意义上说,干预项目,如农民田间学校(Van den Berg和Jiggins 2007)或协同监测国门(Fernandez-Gimenez et al . 2008年,et al . 2010年)可能促进适应性管理和基层反应增加农民的害虫生态与气候变化的知识,因此减少害虫动态相关的不确定性。
另外,我们的模型表明,气候变化,在我们的模型表示为温度,产生的异质性在农民的害虫防治策略。这表明变化本身影响害虫防治策略,这也可能是用不同的温度时间序列。从这个意义上说,农民的害虫控制可以被认为是路径依赖,因为当地的农民和害虫之间的交互规则演变结果依人之间的平衡,与温度有关的害虫生存(Folke 2006)。这意味着一系列特定的气候事件可能导致大偏离平均害虫防治策略。
在热带安第斯扶持小型农场的具体案例,强劲的高度的梯度和土地利用异质性(悬吊et al . 2008年)导致了不同情况下即使在小范围,从而增加路径依赖性。这个特征的自适应系统已经被记载在土地使用模型(例如,布朗et al . 2005年,表示“腹腔et al . 2014年),并有负面后果的可预见性,一种自适应系统。
我们的研究结果显示,经济变化(土豆价格)的变化不影响农民的害虫防治策略。这是令人惊讶的,因为农民在田间的采访往往表明,马铃薯马铃薯种植者的价格变化是一个重要的动力行为(动不动et al . 2010年)。这可能是因为我们认为在马铃薯种植面积不变。然而,许多安第斯subsistence-oriented马铃薯种植者声称市场独立裴瑞兹(2010)和依赖几个农业活动加强食品安全和经济稳定。
社区自适应管理经济和气候变化
农民的行为
我们的模型校准使用农民的行为描述的文学裴瑞兹(2010),并没有试图定义最有效的行为面对气候或经济的变化。然而,我们的研究与探索不同的农民行为如何应对环境的变化。传统和厌恶风险的农民都模仿他人的行为,并因此非常相似的潜在机制。然而,对农民的害虫控制曲线的形状与这两种行为不同于另一个(图3)。
在他们的论文中适应性管理,球场骚乱et al .(2013)讨论了适应性管理是适当时,强调“生态不确定性必须管理的一个关键障碍。“我们的理论研究表明,当有潜力很大的进步在控制害虫,减少不确定性并不是一个主要障碍。这有利于社区由传统农民厌恶风险的早期的农民模拟。
害虫管理实践中的异质性
我们的研究强调了这种不确定性可能发挥关键作用定向和维护异构害虫管理实践,并支持农民个人的想法表示系统的(心智模型)是一个关键因素的适应性管理(Grothmann 2005年型,Acosta-Michlik和Espaldon 2008)。这里我们假定农民有效的害虫管理策略是如何的看法取决于害虫侵扰的水平在他们的领域,而不是真正的策略的效率。农民模仿另一个农民改变实践基于他/她的看法如何有效的害虫控制(图2)。
在模拟,包括气候变化、害虫侵扰的水平是如何有效的害虫防治策略的结果,以及与温度有关的害虫死亡率。农民面临更多不确定性最有效的害虫管理实践,因为他们无法区分这两个影响感染,导致他们采取nonoptimal害虫管理实践。因此,我们观察了害虫管理实践的多样性在社区一级当温度变量。在更广泛的范围内,我们的理论结果表明,不确定性可能是至关重要的维持多样性害虫管理实践。理论上讲,这个uncertainty-driven多样性应加强适应性管理的生态系统在社区层面,(林奥尔森et al . 2004年,2011年,Barthel et al . 2013年)。
适应性管理常见的问题
在他们的论文中关于竞争力在社会传统的捕鱼,Leibbrandt et al。(2013)发现,个人倾向于竞争力,有利于团队精神在集体主义的社会,自然约束人类一起工作的地方。我们的研究突显出人们必须依赖于另一个当面对一个常见问题(农作物害虫的控制)。这可能被视为一个“共同进化关系”:当他们适应实践在回应一个约束通过模仿成功的行为,人类彼此“共同进化”最大化自己的利益(这里的农民在农村厄瓜多尔的安第斯山脉面临提高害虫控制的需要;Mitleton-Kelly和戴维·2013)。在我们的模型中,这个共同进化的形式通过模仿和试验正在适应性管理。在更广泛的范围内,它支持自适应管理可能暴露于一个常见问题的结果,即使个别farmers-depending在他们的社会环境(邻近的农民)和/或物理环境(气候变化)可能较少能受益于适应性管理。
结论
总之,我们的模拟方法包括建模框架,考虑两个时空动态,社会和生态系统不断地相互作用。在此系统中,自适应管理在害虫防治出现农民表示为异构代理商相互作用、相互影响,和他们学习和适应环境的能力。我们的研究结果强调农民观念的重要性和不确定性在他们的决策过程,导致适应性管理。它也强调不确定性的可能作用在维持多样性害虫管理实践,这有助于使农民更有弹性。在更广泛的范围内,它将有助于改善的理解机制驱动自适应管理转变。基于现场数据,验证害虫模型,和描述一致的研究,这项研究提供了一个宝贵的框架来研究生态响应全球变化。
确认
这项工作是在项目中进行的“适应性管理在害虫控制热异构农业景观”(ANR - 12 - jsv7 - 0013 - 01)由国家倒说是(ANR)。
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