Парадокс пестицидов - Paradox of the pesticides - Wikipedia

В парадокс пестицидов это парадокс в котором говорится, что применение пестицид к вредитель может в конечном итоге увеличить избыток вредителя, если пестицид нарушает естественную динамику «хищник – жертва» в экосистеме.

Уравнение Лотки – Вольтерра

Чтобы математически описать парадокс пестицидов, Уравнение Лотки – Вольтерра, набор нелинейных дифференциальные уравнения, которые часто используются для описания взаимодействий хищник-жертва, можно модифицировать для учета добавок пестицидов во взаимодействиях хищник-жертва.

Без пестицидов

Переменные представляют собой следующее:

${\displaystyle {\begin{aligned}H&={\text{the prey population at a given time}}\\P&={\text{the predator population at a given time}}\\c&={\text{the capture constant}}\\r&={\text{the rate of growth of the prey population}}\\a&={\text{the fraction of prey energy assimilated by the predator and turned into new predators}}\\m&={\text{predator mortality rate}}\\\end{aligned}}}$

Следующие два уравнения являются исходными Уравнение Лотки – Вольтерра, которые описывают скорость изменения каждой соответствующей популяции как функцию популяции другого организма:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {dH}{dt}}&=rH-cHP\\{\frac {dP}{dt}}&=acHP-mP\\\end{aligned}}}$

Установив каждое уравнение равным нулю и, таким образом, предполагая стабильную популяцию, график из двух линийизоклины ) можно заставить найти точку равновесия, точку, в которой обе взаимодействующие популяции устойчивы.

Это изоклины для двух приведенных выше уравнений:

${\displaystyle P={\frac {r}{c}}\quad {\text{and}}\quad H={\frac {m}{ac}}}$

Учет пестицидов

Изоклины хищник – жертва до и после применения пестицидов. Увеличилось количество вредителей.

Теперь, чтобы учесть разницу в динамике популяций хищника и жертвы, возникающую при добавлении пестицидов, переменная q добавляется, чтобы представить норму на душу населения, при которой оба вида погибают от пестицида. Исходные уравнения Лотки – Вольтерра меняются следующим образом:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {dH}{dt}}&=H(r-cP-q)\\{\frac {dP}{dt}}&=P(acH-m-q)\\\end{aligned}}}$

Решая изоклины, как это было сделано выше, следующие уравнения представляют две линии с пересечением, которое представляет новую точку равновесия. Это новые изоклины для популяций:

${\displaystyle P={\frac {r-q}{c}}\quad {\text{and}}\quad H={\frac {m+q}{ac}}}$

Как видно из новых изоклин, новое равновесие будет иметь более высокое значение H и более низкое значение P, поэтому количество жертв будет увеличиваться, а количество хищников - уменьшаться. Таким образом, жертва, на которую обычно нацелен пестицид, фактически получает пользу от пестицида, а не причиняет ему вред.

Надежной и простой альтернативой модели хищник – жертва Лотки-Вольтерры и ее распространенным обобщениям, зависящим от жертвы, является соотношение, зависящее или Модель Ардити – Гинзбурга.^[1] Это две крайние точки спектра моделей вмешательства хищников. По мнению авторов альтернативной точки зрения, данные показывают, что истинные взаимодействия в природе настолько далеки от экстремума Лотки-Вольтерра на спектре интерференции, что модель можно просто отбросить как неверную. Они гораздо ближе к зависимому от отношения экстремуму, поэтому, если требуется простая модель, можно использовать модель Ардити – Гинзбурга в качестве первого приближения.^[2]

Эмпирическое доказательство

Парадокс неоднократно подтверждался документально на протяжении всей истории борьбы с вредителями. Хищный клещи, например, естественно охотятся на фитофаг клещи, которые являются обычными вредителями в яблоневых садах. Опрыскивание садов убивает обоих клещей, но эффект уменьшения хищничества больше, чем у пестицида, и численность клещей-фитофагов увеличивается.^[3]

Эффект был также замечен на рисе, о чем свидетельствуют документы Международный научно-исследовательский институт риса, который отметил значительное сокращение популяций вредителей после прекращения применения пестицидов.^[4]

Связанные явления

Недавние исследования предполагают, что такой парадокс не обязательно может быть вызван сокращением популяции хищников, например, с помощью пестицидов. В момент сбора урожая уменьшается популяция хозяев, одновременно ослабляется эффект внутривидовой плотности.^[5] Внутривидовая конкуренция учитывает конкуренцию между особями одного вида. Когда плотность населения высока и ресурсы, следовательно, относительно скудны, у каждого человека меньше доступа к ресурсам для инвестирования энергии в рост, выживание и воспроизводство. Это вызывает снижение выживаемости или повышение смертности.

Внутривидовая конкуренция увеличивается с увеличением плотности. Можно было ожидать, что сокращение популяции (например, из-за промысла) снизит плотность популяции и снизит внутривидовую конкуренцию, что приведет к снижению смертности среди жертв.

Исследования также показывают, что прямое воздействие на популяцию хищников через добычу добычи не является необходимым для наблюдения парадокса.^[5] Было показано, что добыча добычи вызывает снижение скорости воспроизводства хищников, что снижает уровень равновесия хищников. Таким образом, изменения в история жизни Стратегия (модели роста, воспроизводства и выживания) также может способствовать парадоксу.

Казалось бы, парадокс можно объяснить косвенным воздействием промысла на естественные экологические взаимодействия жертвы и хищника: уменьшение эффекта внутривидовой плотности для добычи и снижение скорости воспроизводства для хищника. Первый увеличивает восстановление популяции жертвы, а второй снижает уровень равновесной популяции хищника.

Решения

Чтобы справиться с парадоксом, производители могут обратиться к комплексная борьба с вредителями (IPM),^[6] экологический подход к борьбе с вредителями, который учитывает взаимодействие между вредителями и окружающей их средой.^[7] Существует не только один способ практиковать IPM, но некоторые методы включают использование механических ловушек или увеличение численности естественных хищников.^[8]

IPM также часто рекламируется за его преимущества для окружающей среды и здоровья, поскольку он позволяет избежать использования химических пестицидов.

Смотрите также

• Список парадоксов
• Парадокс обогащения: Увеличение количества пищи, доступной для экосистемы, может вызвать нестабильность и даже привести к исчезновению.

Рекомендации

1. Ардити, Р., Гинзбург, Л. 1989 г. Взаимодействие в динамике хищник – жертва: зависимость соотношения. Журнал теоретической биологии 139: 311-326.
2. Ардити, Р., Гинзбург, Л. 2012 г. Как виды взаимодействуют: изменение стандартного взгляда на трофическую экологию. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
3. Лестер, П. Дж .; Thistlewood, H.MA .; Хармсен, Р. (1998). «Влияние размера и количества убежища на динамику акариновых хищников и жертв в яблоневом саду, нарушенном пестицидами». Журнал прикладной экологии. 35 (2): 323–331. Дои:10.1046 / j.1365-2664.1998.00304.x. JSTOR  2405131.
4. Саквилл Гамильтон, Генри (январь – март 2008 г.). «Парадокс пестицидов» (PDF). Рис сегодня (1): 32–33. Получено 3 февраля 2011.
5. Matsuoka, T .; Сено, Х. (2008). «Экологический баланс в динамике коренного населения может вызвать парадокс борьбы с вредителями при уборке урожая» (PDF). Журнал теоретической биологии. 252 (1): 87–97. Дои:10.1016 / j.jtbi.2008.01.024. PMID  18329048.
6. «Технический блог штата Мичиган: 6 преимуществ интегрированной борьбы с вредителями» https://hub.sfi.mtu.edu/members/3137/blog/2015/Jan/5-advantages-of-integrated-pest-management
7. Агентство по охране окружающей среды США. «Принципы комплексной борьбы с вредителями (IPM)», http://www.epa.gov/opp00001/factsheets/ipm.htm (2008).
8. Агентство по охране окружающей среды США. «Пестициды и продукты питания: что означает« интегрированная борьба с вредителями »», http://www.epa.gov/pesticides/food/ipm.htm (2007).