This dissertation demonstrates the construction of the Panthera Population Persistence (PPP), an individual-based model for the Sumatran tiger (Panthera tigris sumatrae) which provides proper theoretical and application frameworks for the conservation of this tiger sub-species in central Sumatra. The PPP model was developed to gain insight into tiger-preyhabitat relationships as well as the effect of human impacts on the persistence of tiger populations. The model addresses three main problems for the survival of the Sumatran tiger: tiger poaching, prey depletion, and habitat loss.
The description of the PPP model serves as an in-depth study of existing literature and covers the most important factors of existing models for tiger conservation. Existing modelling approaches have been improved by the inclusion of finer description of individual-level traits and behaviours in the PPP model. The modelling approach allows a direct inter-relationships between individuals and their environment. The relationship between individual behaviours, intrinsic states, and external factors are simulated spatially explicitly in a bottom-up approach where the emergence of the population dynamics of tiger and prey can be observed under different scenarios. The integration between the PPP model and geographical information system (GIS) has provided a much more meaningful spatial data by revealing the mechanism of the response of individuals to the present land-use types.
The relative importance of the parameters within the PPP model was tested using two modes of sensitivity analysis: The Morris Method and
the traditional One-factor-at-a-time method. The results provided guidance for the application of reasonable sensitivity analysis during the development of individual-based models. The Morris Method suggested that the overall output of the PPP model showed a high sensitivity on the change of time required by a tigress to take care of cubs. The analysis also revealed that the number of dispersers was sensitive toward perceptual distance of individuals to detect the presence of prey. Comparison with a similar predator-prey models provided insight into the predator-prey relationship. The comparison also suggested that perceptual distance of the individual is important for any spatially explicit individual-based model involving predator-prey relationships. The parameterization of the individual perceptual distance of tigers was tested by using existing literature on prey
consumption by tigers as a benchmark. The simulation results were within the range of scientific acceptance for the number of prey killed by a tiger. Thus, further use of the set of parameters for a tiger’s perceptual distance is less uncertain for the output of the PPP model.
The effect of habitat quality and landscape configuration on the mortality and migration of prey were evaluated through the use of virtual habitats and landscapes. The findings suggested that a good habitat quality enables prey survival, increases the population available for predation by tigers. When a low-quality habitat is combined with a high-quality habitat, the number of migrating prey was high, reducing resources for tigers. This suggested that landscape composition should be considered when predicting population persistence of the Sumatran tiger. Optimal movement of two different prey resulted in a high density of prey in high-quality habitat, providing a concentration of prey in a tiger’s habitat, but resulted in a lower tiger predation rate than random movement and species specific movement.
The PPP model has been applied to evaluate the effect of poaching, prey depletion, and their combination for the probability of extinction of a tiger population. The results from the evaluation showed that prey depletion, tiger poaching, and a combination of both, created a 100% probability of extinction within 20 years if the density and frequency of those threats at high rates. However, the duration of those threats in the system caused a 100% probability of extinction from tiger poaching. The results are able to contribute to optimize anti-poaching programs in future, to reduce significantly the probability of total extinction of Sumatran tiger.
Furthermore, various landscape configurations have been tested against the probability and time of extinction for the Sumatran tiger population. The integration of spatial GIS-data in the model provides an insight into the relationship between tiger-prey-habitat. The results suggested that habitat quality surrounding a protected area plays an important role for the persistence of the Sumatran tiger population. This study also recommends agroforestry systems as reasonable land-use type in the vicinity of protected areas. They provide not only positive effects for tiger conservation purpose but they also appear as adaptable to the current land-use situation in Sumatra island.:Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Table of Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Contents 12
1 Introduction 15
1.1 Cornerstones of Sumatran Tiger Conservation . . . . . . . . 16
1.2 Scientific Challenges to Tiger Conservation . . . . . . . . . 22
1.3 Roles of Modelling in Tiger Conservation . . . . . . . . . . 26
1.4 Individual-Based Models for Tiger Conservation . . . . . . . 30
1.5 Research Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.6 Thesis Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2 Literature Review 34
2.1 Fragmentation and Population Dynamics . . . . . . . . . . . 35
2.2 Population Extinction and its measures . . . . . . . . . . . 37
2.3 Modelling the Effect of Fragmentation on Population Dynamics
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4 Individual-Based Modelling of Population Persistence . . . . 51
2.5 Sensitivity Analysis in Individual-based Model . . . . . . . . 53
3 Methods ..........................................................................55
3.1 Study Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2 Model Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3 Land-use Map Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4 Model Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4 Results 73
4.1 Structure and Sensitivity Analysis of Individual-based Predator-
Prey Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2 Where to Go and How to Hide? Measuring the Relative
Effect of Movement Decisions, Habitat Quality, and Landscape
Configuration on theMortality andMigration of Tigers’
Prey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.3 The Extinction Potential of a Sumatran Tiger Population
after the Removal of Poaching . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.4 The Influence of Agroforest and Other Land-use Types on
the Persistence of a Sumatran tiger (Panthera tigris suma-
trae) Population: An Individual-Based Model Approach . . 135
5 General Discussion 159
5.1 Main results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.2 Discussion of the results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6 Conclusions and Perspectives 170
6.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.2 Perspectives for Future Research . . . . . . . . . . . . . . . 171
Bibliography 174
Appendices 191 / Die vorliegende Dissertation beschreibt die Entwicklung des Panthera Populations Persistence (PPP) Modells, eines individuenbasierten Simulationsmodells für den Sumatra-Tiger (Panthera tigris sumatrae). Dieses stellt einen geeigneten theoretischen und anwendungsbezogenen Rahmen für den Schutz dieser Tiger-Unterart in Zentralsumatra bereit. Das PPP-Modell wurde entwickelt, um Einblicke in die Tiger-Beute-Habitat-Beziehungen zu gewinnen, sowie um den Effekt anthropogener Einflüsse auf den Fortbestand von Tigerpopulationen abzuschätzen. Dabei werden die drei Hauptprobleme
für das Überleben des Sumatra-Tigers analysiert: die Wilderei, der Rückgang von Beutetieren und der Verlust von geeigneten Habitaten.
Die Beschreibung des PPP-Modells gibt zunächst einen umfassenden Überblick zum aktuellen Wissensstand auf dem Gebiet des Tigerschutzes und integriert die wichtigsten Faktoren bereits existierender Modellansätze. Diese konnten durch die Einbeziehung einer detaillierten Beschreibung von individuellen Merkmalen und Verhalten verbessert werden. Das PPPModell stellt somit das Individuum in einen direkten Zusammenhang mit dessen Umwelt. Die Beziehung zwischen individuellem Verhalten, intrinsischen Merkmalen und externen Faktoren werden räumlich-explizit in einem bottom-up Ansatz simuliert. Damit kann sowohl die Populationsdynamik des Tigers als auch die seiner Beutetiere unter verschiedenen Annahmen beobachtet werden. Die Verknüpfung des PPP-Modells mit Geographischen Informationssystemen (GIS) bietet die Möglichkeit, die
Reaktionsmechanismen der Individuen basierend auf der gegenwärtigen Landnutzungssituation zu simulieren und somit realitätsnahe räumliche Daten zu generieren.
Die relative Bedeutung der Modell-Parameter auf die Simulationsergebnisse kann durch Sensitivitätsanalysen ermittelt werden. Hier wurden zwei verschiedene Ansätze verwendet: die Morris-Methode und die herkömmliche One-factor-at-a-time Methode. Der Vergleich beider methodischen Ansätze zeigte somit beispielhaft die Eignung unterschiedlicher Sensitivitätsanalysen für individuenbasierte Modelle auf. Die Morris-Methode zeigte, dass das Gesamtergebnis des PPP-Modells eine hohe Sensitivität gegenüber der Veränderung der Zeit aufweist, die ein Tigerweibchen braucht, um ihre Jungen aufzuziehen. Die Analyse zeigt auch, dass die Anzahl an abwandernden Tigern sensitiv gegenüber der IndividuellenWahrnehmungsdistanz von Beute ist. Der Vergleich mit einem ähnlichen Räuber-Beute-Modell lässt vermuten, dass diese Wahrnehmungsdistanz eines Individuums generell als ein entscheidender Faktor für Räuber-Beute-Beziehungen in räumlich-expliziten Individuenmodellen an- gesehen werden kann. Die
Parametrisierung der IndividuellenWahrnehmungsdistanz des Tigers wurde so gewahlt, dass die damit ermittelten Simulationsergebnisse den Beutekonsum des Tigers, wie in der Literatur beschrieben, weitgehen widerspiegeln. Sie ist somit für die weitere Anwendung im PPP-Modell ausreichend gut beschrieben.
Simulationsszenarien, welche verschiedene Habitatqualitäten sowie Landnutzungsmuster berücksichtigen, zeigen auch deren Bedeutung für die Mortalität und Migration der Beutetiere. Eine gute Habitatqualität hat eine geringe Mortalität der Beutetiere zur Folge, welche dann wiederum für den Tiger in ausreichender Zahl zur Verfügung stehen. Treten geringe Habitatqualitäten angrenzend an ein Habitat mit hoher Qualität auf, führte dies zu einer hohen Anzahl an abwandernden Beutetieren, womit sich die Ressourcen für den Tiger verringern. Die Landschaftsmerkmale sollten also bei der Vorhersage des Populationsfortbestandes des Sumatra-Tigers berücksichtigt werden. Die optimale Bewegung von zwei verschiedenen Beutetieren ergab eine hohe Beutedichte in einem Habitat mit hoher Qualität und stellte konzentriert Beute in einem Tigerhabitat bereit. Allerdings resultierte dies auch in einer geringeren Prädationsrate des Tigers,
verglichen mit zufälligen oder artenspezifischen Bewegungen.
Das PPP-Modell wurde angewandt, um die Auswirkungen von Wilderei,
Beutetierrückgang sowie die Kombination beider Faktoren auf die Aussterbewahrscheinlichkeit einer Tigerpopulation zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass die genannten Faktoren eine 100-prozentige Aussterbewahrscheinlichkeit innerhalb von 20 Jahren zur Folge haben, wenn die Dichte und Häufigkeit dieser Bedrohungen hoch sind. Die Dauer dieser Bedrohungen im System verursachte allerdings eine 100-prozentige Aussterbewahrscheinlichkeit nur für die Wilderei von Tigern. Betrachtet man unabhängig von Dichte und Häufigkeit einzig die Dauer der Bedrohung, führt lediglich die Wilderei zum 100%-igen Aussterben. Diese Ergebnisse können maßgeblich dazu beitragen, zukünftig Schutzprogramme gegen die Wilderei zu optimieren, um das Aussterben des Sumatra-Tigers zu verhindern.
DesWeiteren wurde der Einfluss von unterschiedlichen Landnutzungsmustern auf die Aussterbewahrscheinlichkeit und -zeit einer Sumatra-Tigerpopulation
aufgezeigt. Die Integration von räumlichen GIS-Daten in das Modell ermöglichte einen Einblick in die Beziehungen zwischen Tiger, Beutetieren und Habitat. Die Ergebnisse zeigen, dass die Habitatqualität um Schutzgebiete herum eine wichtige Rolle für den Fortbestand der Population spielt. Die vorliegende Arbeit empfiehlt Agroforstsysteme als eine geeignete Landnutzungsform in der Nähe von Schutzgebieten, welche sowohl positive Effekte für den Tigerschutz bietet als auch mit den gegenwärtigen Landnutzungsmustern in Sumatra vereinbar erscheint.:Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Table of Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Contents 12
1 Introduction 15
1.1 Cornerstones of Sumatran Tiger Conservation . . . . . . . . 16
1.2 Scientific Challenges to Tiger Conservation . . . . . . . . . 22
1.3 Roles of Modelling in Tiger Conservation . . . . . . . . . . 26
1.4 Individual-Based Models for Tiger Conservation . . . . . . . 30
1.5 Research Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.6 Thesis Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2 Literature Review 34
2.1 Fragmentation and Population Dynamics . . . . . . . . . . . 35
2.2 Population Extinction and its measures . . . . . . . . . . . 37
2.3 Modelling the Effect of Fragmentation on Population Dynamics
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4 Individual-Based Modelling of Population Persistence . . . . 51
2.5 Sensitivity Analysis in Individual-based Model . . . . . . . . 53
3 Methods ..........................................................................55
3.1 Study Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2 Model Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3 Land-use Map Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4 Model Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4 Results 73
4.1 Structure and Sensitivity Analysis of Individual-based Predator-
Prey Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2 Where to Go and How to Hide? Measuring the Relative
Effect of Movement Decisions, Habitat Quality, and Landscape
Configuration on theMortality andMigration of Tigers’
Prey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.3 The Extinction Potential of a Sumatran Tiger Population
after the Removal of Poaching . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.4 The Influence of Agroforest and Other Land-use Types on
the Persistence of a Sumatran tiger (Panthera tigris suma-
trae) Population: An Individual-Based Model Approach . . 135
5 General Discussion 159
5.1 Main results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.2 Discussion of the results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6 Conclusions and Perspectives 170
6.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.2 Perspectives for Future Research . . . . . . . . . . . . . . . 171
Bibliography 174
Appendices 191
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:25529 |
| Date | 17 February 2011 |
| Creators | Imron, Muhammad Ali |
| Contributors | Herzog, Sven, Berger, Uta, Storch, Ilse, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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