Folyamatalapú megközelítés az éghajlatváltozás hatásának előrejelzésére egy invazív allergén növény Európában történő elterjedésére

Tagsági agroökológiai osztály, Rothamsted Research, Harpenden, Hertfordshire, Egyesült Királyság

Számítástechnikai és rendszerbiológiai osztály, Rothamsted Research, Harpenden, Hertfordshire, Egyesült Királyság

Ökológiai és Hidrológiai Központ, Edinburgh, Egyesült Királyság

Torinói Egyetem, Grugliasco, Olaszország

Számítástechnikai és rendszerbiológiai osztály, Rothamsted Research, Harpenden, Hertfordshire, Egyesült Királyság

Jonathan Storkey,
Pierre Stratonovitch,
Daniel S. Chapman,
Francesco Vidotto,
Mihail A. Szemenov

Ábrák

Absztrakt

Idézet: Storkey J, Stratonovitch P, Chapman DS, Vidotto F, Semenov MA (2014) A folyamatalapú megközelítés az éghajlatváltozás hatásának előrejelzésére egy invazív allergiás növény elterjedésére Európában. PLoS ONE 9 (2): e88156. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0088156

Szerkesztő: Bruno Hérault, Cirad, Franciaország

Fogadott: 2013. szeptember 4 .; Elfogadott: 2014. január 6 .; Közzétett: 2014. február 12

Finanszírozás: Az ezekhez az eredményekhez vezető kutatás az Európai Unió hetedik keretprogramjából (FP7/2007–2013) kapott támogatást a 282687 - Atopica támogatási megállapodások alapján. http://cordis.europa.eu/fp7. A finanszírozóknak nem volt szerepük a tanulmányok tervezésében, adatgyűjtésben és elemzésben, a közzétételre vonatkozó döntésben vagy a kézirat elkészítésében.

Versenyző érdeklődési körök: A szerzők kijelentették, hogy nincsenek versengő érdekek.

Bevezetés

Anyagok és metódusok

Az A.artemisiifolia növekedésének, fejlődésének és populációdinamikájának modellezése

Az A.artemisiifolia fagyérzékeny, nyári egynyári növény, amely alkalmazkodik az őszi kelés elkerülésére. Ezt úgy érik el, hogy a magok a hullás idején elsődleges nyugalmi állapotban vannak, és a szunnyadó állapot megszakításához hűtési időszakot igényelnek. A nyugalmi állapot megszakításának optimális hőmérsékletét kísérletileg 4 ° C-ban határozták meg; lassabb nyugalmi felszabadulást figyeltek meg 5 ° C feletti vagy 0 ° C alatti hőmérsékleten [23]. A modellben ezen a hőmérsékleten 12 hét időtartamra van szükség, mielőtt a magok csírázni tudnának. Az optimálisnál alacsonyabb hőmérséklet szintén hatékony, de hosszabb ideig tart. A nyugalmi felszabadulás sebességét (d −1) különböző hőmérsékleteken, Willemsen [23] eredményei alapján, a Sirius 2010-be illesztették. Miután elérte a nyugalmi állapot megszakadásának küszöbét, a csírázás sebességét a következők szerint modellezték: a Weibull-függvény hidrotermikus idő felhasználásával, amely integrálja a hőmérséklet és a talajnedvesség hatását (1. egyenlet): (1) ahol Y kumulatív csírázás (%) egy hidrotermális időben (θHT), M értéke maximális csírázás, k a növekedés sebessége, a késési fázis és c alakparaméter.

A θHT kiszámításához az alaphőmérséklet és a nedvességtartalom paraméterei szükségesek, amelyek alatt a θHT nem halmozódik fel. Ezeket az értékeket kísérletileg 3,6 ° C-ban és –0,8 mPa-ban határozták meg [24]. A magbankból kikerülő magok arányát sztochasztikus függvényként modelleztük, balra ferde eloszlással és 26% -os mediánnal. Ezt általános eloszlásként számoltuk ki, több gyomfaj adatainak felhasználásával, több helyszínen és évben.

A modell kezdeti paraméterezéséhez szükséges adatok nagyrészt az Egyesült Államokban végzett vizsgálatokból származnak. Ezért fontos volt a modell kalibrálása az A.artemisiifolia európai populációira. A Grugliasco-ban (Torino, Olaszország: 45 ° 03′53 ″ N, 7 ° 35′38 ″ K) két helyszíni kísérlet növekedési elemzési adatait használtam az A.artemisiifolia monokultúrás állományaiból, ezért a végső modellben fejlődés. A modellt a megjelenés dátumára, a virágzási időre, a magasságra és a különböző növényi szervek biomassza-kiosztására vonatkozó megfigyelt adatokra illesztettük.

Helyi léptékű éghajlati forgatókönyvek és az európai eloszlás modellezése

Az A. artemisiifolia európai elterjedésének modellezéséhez a Sirius 2010-et alkalmazták a populáció növekedési sebességének (λ) a mag csírázási sebességének, az új magtermelésnek és a helyi klímaváltozók által vezérelt magveszteségnek a függvényében. Az ELPIS adatkészletből [31] 479 helyet választottak véletlenszerűen, a szomszédos távolság legalább 100 km. Minden helyre 100 év napi szintetikus időjárást generáltunk a LARS-WG alkalmazásával [32]. Az aszimptotikus populációnövekedési sebességet (as) a log (λ) átlagaként számoltuk ki 1000 éves szimuláció során, mindegyik egy tenyészidőszakra, valamint egy csírázási és magvesztési arányra generált időjárási adatok véletlenszerű kombinációját használva. Két további statisztikát is kiszámítottak: a pollenszezon vége és a szezonális pollentermelés. A 479 véletlenszerű hely közül Európában 25 helyszín egy részhalmazát használták arra, hogy az Λ értékeket alkalmassági indexbe sorolják: U.0 - nagyon alkalmatlan, U.1 - alkalmatlan, C.0 - alkalmi (kevésbé valószínű), C.1 - hétköznapi, E.0 - megalapozott, E.1 - jól megalapozott. E kategóriák tartományait úgy hoztuk létre, hogy összehasonlítottuk az generated generált klimatikus viszonyokat ezen a 25 helyen az A.artemisiifolia bőségének szintjével az aktuális eloszlás térképéről.

Eredmények

Az A.artemisiifolia pollenszezon kezdetének megfigyelt adatai csak viszonylag kis szélességi gradiensre terjedtek ki, és a szélességi fok és a korábbi fenológiai modelltől várható virágzás kezdete közötti összefüggést nem figyelték meg (1. ábra). Bár tanulságos lenne hasonló elemzést végezni a virágzási idők adataival egy szélesebb európai szélességi gradiensben, eredményeink egyetértenek az Ambrosia spp. virágzási idők az Egyesült Államokból, ahol a virágzás kezdetét nagyrészt a naptári nap alapján lehet megjósolni, ami arra utal, hogy a helyi lakosság alkalmazkodhatott a fejlődés szinkronizálásához [27]. Az európai pollenfigyelő állomások megfigyelt adatainak változékonysága évről évre nagy volt, de a pollentermelés végének előre jelzett értéke a három szabály felhasználásával általában a megfigyelt értékek tartományába esett (1. ábra).

A hibasávok a maximális és a minimális megfigyelt és szimulált értékeket jelentik.

Az előrejelzett megoszlás, amelyet a kiindulási klimatikus adatok felhasználásával határoztak meg az alkalmatlanság hat kategóriájából, az „alkalmatlantól a„ jól megalapozottig ”, meglehetősen jól megfelelt a legújabb megfigyelt eloszlási térképeknek (2. ábra). A nagy valószínűséggel előforduló központok a Rhône-völgy voltak Franciaországban, egy terület Magyarországon és környékén, Svájcban és Hollandiában. Jóllehet a modell kimenetének érvényességét jelzik, az 1a. És 1b. Ábra statisztikailag közvetlenül nem hasonlítható össze, mivel különböző mennyiségeket képviselnek. Az 1a. Ábra azokat a megfigyelt rácsokat vagy helyeket mutatja, ahol ambróziát észleltek, és a rácsok/helyek többségénél nincsenek információk arról, hogy a populáció letelepedett vagy alkalmi. Ezen túlmenően, mivel az inváziós esemény folyamatban van, a megfigyelt eloszlás várhatóan megváltozik az elkövetkező évtizedekben, míg a 2b. Ábra a potenciális eloszlást jósolja, miután az invázió befejeződött. Valószínű az is, hogy az 1a. Ábra eloszlási térképe a mintavételi erőfeszítések miatt elfogult; például valószínű, hogy az ukrajnai térképek délkeleti sarkában lévő populációk alulreprezentáltak lehetnek [6].

A. Két újabb térkép kombinációja, amely bemutatja az A.artemisiifolia hozzávetőleges elterjedését Európában, Déchamp [44] és Bullock és munkatársai készítették az Ökológiai és Hidrológiai Központban (CEH) [35]. A térképek elkészítéséhez felhasznált megfigyelt adatok minősége Észak-, Közép- és Nyugat-Európából származó jó minőségű adatokkal, valamint Oroszország és Ukrajna gyengébb minőségű adataival változik. B. Az A.artemisiifolia előrejelzett potenciális tartománya a folyamatalapú modell eredményéből, feltételezve, hogy a földhasználat szempontjából megfelelő élőhely minden helyszínen rendelkezésre áll. A tényleges eloszlást a vágási minták és a kontroll szintje módosítja. A kategóriák a következők: U.0 - nagyon alkalmatlan, U.1 - alkalmatlan, C.0 - alkalmi (kevésbé valószínű), C.1 - alkalmi, E.0 - megalapozott, E.1 - jól megalapozott.

Itt feltételezzük, hogy a szétszóródásnak nincs akadálya, és minden területen megfelelő a földhasználat (ruderális élőhelyek, különösen a tavaszi vetésű egynyári növények) az A.artemisiifolia fennmaradásához. Néhány olyan régió esetében, ahol nincs megfelelő élőhely, a potenciális eloszlás térképe megjósolja az A.artemisiifolia megállapított populációit, ahol ezt nem figyelték meg; például Anglia délnyugati részén és Dél-Írországban állandó gyepek dominálnak. A földhasználati tényezők finomabb beépítése tovább finomítaná az előrejelzéseket, de nem fogja befolyásolni tartományának előrejelzett északi, déli és keleti határait. Ezek jól megegyeznek az A.artemisiifolia elterjedésének kiterjedésével, az elszigetelt alkalmi populációkkal egészen Spanyolország és Olaszország északáig, valamint az Egyesült Királyságig és Svédországig északra [33], [34]. A modell előrejelezte, hogy a déli határt nedvesség okozta stressz, az északi határt pedig a vetőmag érésének elégtelen hőmennyisége. Fontos, hogy nem voltak olyan területek, ahol az A.artemisiifolia jelenleg kialakult probléma, és ahol a modell fenntarthatatlan népességet jósol, kivéve Oroszországot és Ukrajnát, ahol az elterjedési térkép elkészítéséhez használt megfigyelt populációk adatminősége gyenge [35].

A 2010–2030-as és a 2050–2070-es HadCM3 (A1B) forgatókönyv szerint az A.artemisiifolia elterjedésének déli határa az előrejelzések szerint nagyon kevéssé változik, mivel a jövőbeni csapadékminták azt jelentették, hogy Spanyolország, Olaszország déli része és Görögország nagy része túl száraz A.artemisiifolia az életképes populációk fenntartása érdekében (3. ábra). Az A.artemisiifolia számára rendelkezésre álló alkalmas élőhely azonban az éghajlatváltozás hatására várhatóan tovább terjed északra és keletre, mivel a növekvő nyári hőmérséklet a hőidő gyorsabb felhalmozódását eredményezte, és nagyobb a valószínűsége annak, hogy a növény befejezi életciklusát és érett magot termel. E forgatókönyvek alapján valószínűsíthető, hogy a skandináv országokban és Nagy-Britanniában jelenleg alkalmi populációk létrejöhetnek (3. ábra). Ahol az A.artemisiifolia jelenleg jól megalapozott és nagy sűrűséggel található meg, Magyarországon, Horvátországban és a francia Rhône-völgyben, a modell csak kismértékű növekedést jósolt az éghajlatváltozás hatására megnövekedett pollentermelés képességében (4. ábra). A tartomány északi kiterjedésénél azonban várható volt, hogy a pollentermelés viszonylag nagy növekedése potenciálisan egészségügyi problémát okozhat, ahol az Ambrosia pollenkoncentrációja jelenleg a klinikai tünetek kiváltásának küszöbértéke alatt van.

A. HadCM3 (A1B) forgatókönyvek használata a közeljövő 2010–2030 és B. hosszú távú jövő 2050–2070 között. A kategóriák a következők: U.0 - nagyon alkalmatlan, U.1 - alkalmatlan, C.0 - alkalmi (kevésbé valószínű), C.1 - alkalmi, E.0 - megalapozott, E.1 - jól megalapozott.

A. A közeljövő (2010–2030) és B. a hosszú távú jövő (2050–2070), ahol a Pbs és a Pfuture a pollentermelés az alap és a jövőbeli klímaforgatókönyvek szempontjából. A modell kimenete az üzem pollenkibocsátása, a modell nem tartalmazza a pollenkibocsátás vagy szállítás előrejelzését. Csak azokat a területeket mutatják be, amelyekről feltételezhető, hogy alkalmasak az A.artemisiifolia számára (alkalmi vagy megalapozottak). Ahol az előrejelzések szerint a populációk új területeket gyarmatosítanak, a megnövekedett pollentermelés ezért> 0,8 lesz, bár a pollenszemcsék abszolút száma viszonylag alacsony lehet a jól bevált populációkhoz képest.

Vita

A fajok elterjedési modelljeinek az inváziós ökológiában való kifejlesztésétől függetlenül az elmúlt években a növények növekedésének és fejlődésének részletes folyamatalapú modelljei haladtak annak érdekében, hogy jobban megértsék a terméshozam környezeti és fiziológiai korlátjait [20]. Ezek a modellek képesek megragadni a többszörös menedzsment és környezeti változók kölcsönhatásait kis időbeli és térbeli léptékben, és fontos erőforrást jelentenek a megvalósult rések előrejelzéséhez az invazív fajok jövőbeli forgatókönyvei alatt. A közelmúltban bebizonyították ezt a potenciált egy éves gyomnövényre nemzeti szinten [18]; itt ugyanazt a megközelítést alkalmaztuk egy új kontinensen betörő faj potenciális fülkéjének modellezésére. Ennek során számos kihívással foglalkoztunk, amelyekkel szemben a Chapman és mtsai tárgyalták a forward modelleket az invázióökológiában. [13]. Pontosabban, a modellben leírt folyamatok mindegyike paraméterezett független adatkészletek felhasználásával, és a napi lépcsőn generált helyi léptékű klímaszcenáriók felhasználása lehetővé teszi a rövid távú környezeti stressz növénynövekedésre gyakorolt hatásának megragadását.

Szerző közreműködései

A kísérletek megtervezése és megtervezése: JS PS FV MS. Végezte a kísérleteket: PS MS FV. Elemezte az adatokat: JS PS MS. Hozzájáruló reagensek/anyagok/elemző eszközök: FV DC. Írtam a cikket: JS PS MS.