生態系は、嵐や火事から放牧や皆伐に至るまで、自然と人為的な撹乱の両方によって常に混乱しています。生態系に別の安定状態がある場合 (同じ外部条件下で、システムが複数の可能な状態にある可能性があります)、擾乱が生態系をある状態から別の状態に押し上げ、レジーム シフトにつながる可能性があります。
この現象は、肥料流出による湖の富栄養化やサンゴ礁の白化など、さまざまな生態系で観察されています。その後、このシステムは壊滅的なレジームシフトを経たと言われ、最初の混乱が比較的弱い場合でも、回復が不可能であるか、達成するのが非常に困難です。
しかし、政権交代に関するこの古典的な見方は、しばしば単純すぎる。サバンナや乾燥地など、空間プロセスが重要な役割を果たしている多くの生態系では、空間ダイナミクスによりレジーム シフトが別の形をとることがあります。
この理由の 1 つは、通常、撹乱が空間的に局所化されているため、生態系の残りの部分は無傷のままでありながら、撹乱されたドメインが別の状態にプッシュされる可能性があるためです。サバンナの風景では、これは森林地帯に孤立した草原のパッチを作成する小規模な山火事に相当します。これは、あるドメインと別のドメインの間を移動するにつれて、生態系の特性が継続的に変化する空間領域である前線の形成につながります。いくつかの例を図 1 に示します。これは、木や草などの異なる植物群落間の前線を示しています。このような前線のダイナミクスは、物理学や化学などの他の分野で知られていますが、生態学におけるそれらの挙動と意味はほとんど見過ごされてきました.
私たちの論文では、この問題を調査し、生態系が経験する可能性のあるレジームシフトに対するフロントダイナミクスの影響を具体的に調べることにしました。前線ダイナミクスの 3 つの主な側面に焦点を当てました。単一の前線の動作、異なる前線間の相互作用、同じ条件下で複数のタイプの前線が存在する可能性です。この研究では、乾燥地の植生のダイナミクスを記述するモデルを使用しました。そのようなモデルは、分析と理解が簡単でありながら、乾燥地の空間植生パターンの挙動を記述および調査するためにうまく使用されているためです。
レジーム シフトに対する前線の挙動の最も直接的な結果は、前線の速度、つまり、前線が移動する速度と方向です。問題の生態系に応じて、この特性を制御する物理的および生物学的プロセスは非常に多様です。水不足が強いストレッサーである乾燥地では、関連する局所プロセスには、降水、蒸発、水ストレス下での植物の成長が含まれますが、空間プロセスには、種子の分散と地下および地上の水の流れが含まれます。全体的な水の利用可能性が高い場合、前線は露出した土壌のドメインに侵入するように移動し、したがって植生ドメインを拡大しますが、干ばつは反対のことを行い、植生ドメインの収縮につながります.
他のすべての条件が同じままで、特定のパラメーターを変更すると、前線がまったく動かない特別な値が 1 つあります。これはマクスウェル ポイント (電磁気学に革命をもたらした有名なジェームズ マクスウェルにちなんで名付けられた) と呼ばれ、その値を計算することで、前線がどの方向に移動するかを予測することができます。私たちの論文で示したように、マクスウェル ポイントがどこにあるかを知ることは有用ですが、非常に変化しやすい条件下では、これだけでは不十分な場合があります。たとえば、年間平均降水量が一定の場合、条件が一定であれば植生領域が成長する可能性がありますが、年ごとの変動が大きいと植生領域が縮小する可能性があります。これは、前線が雨の年にゆっくりと前方に移動する場合に発生しますが、同じ大きさの干ばつが前線の急速な収縮につながります.
単一の前線のダイナミクスに焦点を当てることは、前線の速度とレジーム シフトの間の単純な関係を意味します。前線の方向によって、局地的な擾乱によってどのようなレジーム シフトが発生するかが決まりますが、前線の移動速度によって、この段階的なレジーム シフトが発生するまでの時間が決まります。このビューは、2 つ以上のフロントが互いに近づくと、互いの動作に影響を与えるフロントの相互作用の可能性を無視します。
図 2 のシミュレーションで示すように、これらの前線の相互作用は、前線に関連するレジーム シフトに強い影響を与える可能性があります。特に、図 2 に示されているように、前線が相互に作用して減速する場合、前線がシステム全体を引き継ぐことはなく、別の状態の残骸が残る可能性があります。これは、地球温暖化などの条件の変化によって引き起こされる可能性のある砂漠化前線が、完全に不毛の景観につながる必要はなく、代わりに植生の小さなパッチにつながることを意味します。向上。また、図 2 のキリンのようなパターンに見られるように、植生のさまざまな空間パターンにつながる傾向があります。
最後に、同じ条件下で複数のタイプの前線が存在する可能性もあります。この状況は、前線が移動する傾向があり、したがって静止していない空間内の局所的な構造であることを除いて、代替の安定状態の存在に少し似ています。これらの異なるフロントには異なる特性があり、あるフロント タイプが他のフロント タイプよりも大幅に遅くなる可能性があることを示します。このような前線双安定性の存在は、前線自体の領域に焦点を当てた限定的な介入によって、進行中のレジームシフトの進行を遅らせることができることを意味します。したがって、生態系全体に影響を与えようとするのではなく、フロント領域の変更を最小限に抑えることで、実行可能な生態系を維持するのに役立つ可能性があります。
全体として、さまざまな前線の特性が、さまざまな撹乱を受けている生態系の運命に大きな影響を与える可能性があることを示しています。地球温暖化や生息地の断片化などの人間の影響がより支配的になっているため、空間構造の影響と生態系の撹乱をよりよく理解することが重要です。
これらの調査結果は、最近ジャーナル Ecological Indicators に掲載された「前線の力学によるレジーム シフト」というタイトルの論文で説明されています。 .この作業は、ネゲブのベングリオン大学のユヴァル R. ゼルニックとエフード メロンによって行われました。
