User:Kala13

Simulace šíření invazních rostlin v krajině

Definice problému

Invazní rostliny patří k významným problémům při ochraně krajiny a biologické rozmanitosti. Některé druhy se dokáží velmi rychle šířit do nových stanovišť a postupně vytlačují původní vegetaci.

Cílem této práce je vytvořit jednoduchou simulační platformu, ve které lze:

• sledovat prostorové šíření několika druhů invazních rostlin v různých typech krajiny,
• vyhodnocovat vliv jednotlivých parametrů (tolerance ke stínu, způsob šíření, rychlost růstu atd.),
• testovat efekt různých zásahů (sečení, herbicidní zásahy) na omezení jejich expanze.

Model simuluje několik druhů invazních rostlin (Solidago, Rudbeckia, Impatiens, Lupinus), které se šíří v prostředí s různými typy stanovišť (les, okraj lesa, louka, břeh potoka) a jejich růst i šíření jsou ovlivněny parametry prostředí.

Metoda

Pro řešení problému bylo zvoleno multiagentní modelování v prostředí NetLogo. Tento přístup umožňuje modelovat jednotlivé rostliny jako samostatné agenty, kteří se v každém kroku rozhodují na základě svých vlastních parametrů, podmínek prostředí a náhodných faktorů. Hlavní důvody volby multiagentní simulace v NetLogo:

• Jednoduché prostorové modelování: NetLogo umožňuje snadné rozdělení krajiny na jednotlivé „patches“, které reprezentují různé typy stanovišť (les, louka, okraj lesa, potok).
• Individuální vlastnosti rostlin: Každá rostlina má vlastní parametry (rychlost růstu, způsob šíření, tolerance ke stínu, apod.).
• Možnost testování zásahů: NetLogo umožňuje implementovat zásahy (mechanické i chemické) a sledovat jejich dopad na populaci.

Systémová dynamika není vhodná, protože by neumožňovala sledovat prostorové rozložení a individuální chování jednotlivých rostlin.

Model

Model agentů Rostliny (Plants) Každá jednotlivá rostlina je v modelu samostatným agentem (turtle), který nese své specifické vlastnosti. V modelu jsou obsaženy čtyři invazní druhy rostlin:

• Solidago gigantea (zlatobýl obrovský)
• Rudbeckia laciniata (třapatka dřípatá)
• Impatiens parviflora (netýkavka malokvětá)
• Lupinus polyphyllus (lupina mnoholistá)

Každá rostlina má následující parametry:

• species — Druh rostliny
• growth-rate — Pravděpodobnost klonálního růstu
• seed-production — Pravděpodobnost tvorby semen
• seed-viability — Úspěšnost vyklíčení semen
• dispersal-distance — Maximální vzdálenost šíření semen
• shade-tolerance — Tolerance k zastínění (0–1)
• preferred-habitats — Preferované typy prostředí
• resistance-to-mowing — Odolnost vůči sečení
• resistance-to-herbicide — Odolnost vůči herbicidům
• clonal-spread? — Schopnost vegetativního šíření
• age — Aktuální věk rostliny
• lifespan — Maximální věk rostliny
• reproduction-age — Věk, od kterého je rostlina schopna reprodukce

Generování prostředí

Prostor je na začátku generován v několika krocích:

1. Generování řeky a větvení: Řeka se tvoří postupně s možnými odbočkami (branching), dokud nedosáhne požadovaného pokrytí počtu patchů.

2. Generování lesa: Algoritmus vyhledává největší nezaplněné plochy a generuje lesní shluky.

3. Dopočet zbývajících ploch (meadow).

Reprodukční proces rostlin

Reprodukce rostlin v simulaci probíhá ve dvou fázích:

Klonální šíření (vegetativní růst)

• Klonální šíření nastává pouze u rostlin, které mají tuto schopnost (`clonal-spread? = true`).
• Každá rostlina má pravděpodobnost klonálního růstu definovanou parametrem `growth-rate`.
• Pokud je klonální růst aktivován, vybírá se jeden sousední patch (v rámci `neighbors`) bez existující rostliny.
• Upřednostňovány jsou patche v preferovaném habitatě (`preferred-habitats`) a s dostatečně nízkou hodnotou zastínění (`shade-tolerance`).
• Pokud je vybrán patch mimo preferované habitaty, existuje pouze 20% pravděpodobnost, že se rostlina na takovém místě ujme.
• Na patchi typu `river` není možné klonální šíření.

Semenné šíření

• Semenné šíření probíhá pro všechny druhy rostlin.
• Pravděpodobnost tvorby semen je definována parametrem `seed-production`.
• Pro každý úspěšný pokus o tvorbu semen je provedeno několik pokusů o rozptyl, jejichž počet je definován parametrem `seed-viability * 5`.
• Směr a vzdálenost šíření semen je náhodná do maximální vzdálenosti definované parametrem `dispersal-distance`.
• Stejně jako u klonálního šíření, je při výběru cílového patche zohledněno preferované prostředí a tolerance k zastínění (`shade-tolerance`).
• Pokud semeno dopadne na nevhodné prostředí, je šance na ujmutí pouze 20%.

Intervenční mechanizmy (likvidace rostlin)

V simulaci jsou implementovány dva typy zásahů, které simulují reálné zásahy v ochraně přírody:

Mechanická intervence

• Mechanická intervence reprezentuje především sečení a ruční odstraňování rostlin.
• V každém kroku zásahu je vybrán náhodný středový patch (`target`), kolem kterého je definován zásah v kruhovém rádiu (`intervention-radius`).
• Všechny rostliny uvnitř zasažené oblasti mají pravděpodobnost přežití definovanou parametrem `resistance-to-mechanical`.
• Pokud rostlina test přežití nezvládne, je odstraněna (`die`).

Chemická intervence

• Chemická intervence simuluje aplikaci herbicidů.
• Postup je identický s mechanickou intervencí, liší se pouze typem rezistence (`resistance-to-herbicide`).

Výsledky

Cílem práce bylo vytvořit simulační model umožňující sledování rozšiřování vybraných invazních druhů rostlin v závislosti na jejich ekologických parametrech a zároveň umožnit testování různých zásahových strategií.

V rámci modelu byly implementovány:

• detailní parametry čtyř invazních druhů (solidago, rudbeckia, impatiens, lupinus),
• mechanizmy klonálního a semenného šíření v závislosti na preferovaných habitatech, světelných podmínkách a šířících vlastnostech,
• zásahové metody reprezentující mechanickou a chemickou likvidaci.

Díky použití multiagentní simulace v prostředí NetLogo bylo možné vytvořit relativně realistický model, ve kterém lze analyzovat efekt různých parametrů na úspěšnost expanze jednotlivých druhů i na účinnost zásahů.

Model je flexibilní a umožňuje snadnou modifikaci parametrů druhů, prostředí i zásahů, a tím poskytuje vhodný nástroj pro experimentování s dynamikou šíření invazních rostlin a hledání optimálních zásahových strategií v rámci různých podmínek.

Závěr

Byla vytvořena simulační aplikace, která umožňuje sledovat šíření invazních rostlin v závislosti na jejich biologických vlastnostech, podmínkách prostředí a zásazích člověka. Model umožňuje testovat účinnost mechanických i chemických zásahů a je připraven k dalšímu rozšiřování.

Kód

File:4IT495 - kala13.nlogo

Reference

• https://invaznidruhy.aopk.gov.cz/
• https://bplant.org/
• https://gobotany.nativeplanttrust.org/
• https://www.ecoplantia.com/