A növénytermesztés, az energiafejlesztés és a gyepterület-veszteség modellezésének hatása a madár élőhelyére

Egyformán járultak hozzá ehhez a munkához: Jill A. Shaffer, Cali L. Roth, David M. Mushet

Szerepek konceptualizálás, adatmegőrzés, vizsgálat, módszertan, validálás, vizualizáció, írás - eredeti vázlat, írás - áttekintés és szerkesztés

Amerikai Egyesült Államok Földtani Intézete, Northern Prairie Wildlife Research Center, Jamestown, Észak-Dakota, Amerikai Egyesült Államok

Egyformán járult hozzá ehhez a munkához: Jill A. Shaffer, Cali L. Roth, David M. Mushet

Szerepek konceptualizálás, adatkezelés, formális elemzés, vizsgálat, módszertan, szoftver, validálás, vizualizáció, írás - áttekintés és szerkesztés

Társulás U. S. Geológiai Felmérés, Nyugati Ökológiai Kutatóközpont, Dixon Field Station, Dixon, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok

Egyformán járultak hozzá ehhez a munkához: Jill A. Shaffer, Cali L. Roth, David M. Mushet

Szerepek konceptualizálás, finanszírozás megszerzése, módszertan, projekt adminisztráció, erőforrások, felügyelet, vizualizáció, írás - áttekintés és szerkesztés

Amerikai Egyesült Államok Földtani Intézete, Northern Prairie Wildlife Research Center, Jamestown, Észak-Dakota, Amerikai Egyesült Államok

Jill A. Shaffer,
Cali L. Roth,
David M. Mushet

Ábrák

Absztrakt

Idézet: Shaffer JA, Roth CL, Mushet DM (2019) A növénytermesztés, az energiafejlesztés és a természetvédelmi-gyepveszteség modellezésének hatása a madár élőhelyére. PLoS ONE 14 (1): e0198382. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0198382

Szerkesztő: Ismael Aaron Kimirei, Tanzániai Halászati Kutatóintézet, TANZÁN EGYESÜLT KÖZTÁRSASÁG

Fogadott: 2018. május 11 .; Elfogadott: 2018. november 21 .; Közzétett: 2019. január 9

Ez egy nyílt hozzáférésű cikk, minden szerzői jogtól mentes, és bárki szabadon reprodukálhatja, terjesztheti, továbbíthatja, módosíthatja, továbbépítheti vagy más módon felhasználhatja bármilyen törvényes célra. A mű a Creative Commons CC0 közkincs dedikációja alatt érhető el.

Adatok elérhetősége: A kézirat alátámasztására használt összes adat nyilvánosan elérhető az USGS-en keresztül: https://doi.org/10.5066/F72J69RM.

Finanszírozás: Ennek az erőfeszítésnek az anyagi támogatását az USDA Természeti Erőforrás-megőrzési Szolgálata kapta meg a természetvédelmi hatásvizsgálati projektjükön (CEAP — Wetlands) és a Farm Service Agency gazdasági és szakpolitikai elemző munkatársain keresztül. 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

A madarak a Millenniumi Ökoszisztéma Értékelés [1] meghatározása szerint számos támogató, ellátó, szabályozó és kulturális szolgáltatást nyújtanak. Így a madár biodiverzitásának megőrzése számos pozitív előnnyel jár a társadalom számára. A madarak kulturális szempontból fontosak a művészetben és az irodalomban; szórakozásból a madármegfigyelők és a vadászok számára; gazdaságilag pedig beporzóként, kártevőként, magterjesztőként és tápanyagciklusokként [2]. Az ornitológusok azonban több mint két évtizede felhívják a riasztást a gyepmadarak rohamos csökkenésére, amelyet elsősorban az élőhely antropogén eszközökkel történő elvesztése és degradációja okoz [3, 4]. A kérdés elismerése ellenére a gyepmadarak élőhelyei továbbra is elvesznek és leromlottak [5–7], a madárállomány pedig tovább csökken [8].

Az észak-amerikai Prairie Pothole Region (PPR) a Sauer és mtsai által osztályozott 41 faj közül 38-nak ad otthont. [8] gyepmadarakként. Azonban a legtöbb gyepterületet, amelyre ezek a fajok támaszkodnak az élőhelyeiként, alternatív felhasználásra alakították át [5]. A korabeli élőhelyek elvesztésének két elsődleges oka a növénytermesztés és az energiafejlesztés, amelyek gyepek átalakulását és széttöredezettségét eredményezik [6, 9, 10]. Ezeknek a mozgatórugóknak (azaz a növénytermesztésnek vagy az energiafejlesztésnek) egyik sem csökken. Lark és mtsai. [6] becslései szerint a teljes nettó termőterület 2008-tól 2012-ig országosan 2,98 millió hektárral nőtt, a legnagyobb növekedés a PPR-ben történt. Az Egyesült Államokban a legnagyobb regionális kőolajtermelés növekedése 2025-ig várhatóan az amerikai észak-dakotai Bakken-formációból származik [11]. A Nemzetközi Energiaügynökség [12] előrejelzése szerint a világ energiatermelő kapacitásának legnagyobb növekedése a megújuló energiákból származik, Kína után az Egyesült Államok a második legnagyobb piac. Regionálisan Észak-Dakota és Dél-Dakota államok bőséges szélerőforrásokkal rendelkeznek, és rendszeresen a 20 legmagasabb széltermelő állam között vannak [13, 14].

A növénytermesztés szempontjából a természetvédelmi gyepek jelenlegi vesztesége mellett a hazai energiaforrások iránti növekvő kereslet valószínűleg negatív hatással lesz a gyep mennyiségére és minőségére. McDonald és mtsai. [18] becslései szerint 20,6 millió hektár új földterületre lesz szükség az Egyesült Államok energiaigényének kielégítéséhez 2030-ig, a mérsékelt égövi gyepek az előrejelzések szerint az egyik leghatásosabb szárazföldi élőhelytípusnak számítanak. A PPR legintaktívabb gyepterületei általában magasan fekvő geológiai jellemzőkön helyezkednek el, amelyek túlságosan robusztusak a gépesített mezőgazdasági berendezések számára vagy túl szárazak a soros növénytermesztéshez, de még ezeket a gyepeket is fenyegetik, mivel szélerőművek helyeként vagy olaj- és gázfejlesztéshez [9, 10].

Az ökorégiók az északi eljegesedett síkság (NGP), az északnyugati eljegesedett síkság (NWGP), az Agassizi-tó síksága (LAP) és a Des Moines Lobe (DML) ökorégiók. [28].

Anyag és módszerek

Tanulmányi terület

A PPR az Egyesült Államok és Kanada mintegy 82 millió hektárját fedi le (1. ábra). A jeges folyamatok formálták a régiót, és olyan tájat hoztak létre, amely millió gyepes vizes élőhelyből áll (amelyeket gyakran préri kátyúknak neveznek), amelyek egy gyepmátrixba keverednek [29, 30]. A PPR-t a világ egyik legnagyobb gyep/vizes komplexumaként ismerik el [31]. Globálisan fontos ökoszisztéma a legkülönbözőbb növény- és állatvilágok számára, beleértve a legelő és vizes növényeket [32], gyepmadarakat [33], partimadarakat [34], vízimadarakat [35], vízimadarakat [36], apró emlősöket [37], kétéltűek [38], valamint vízi és szárazföldi gerinctelenek, beleértve a beporzókat [30, 39, 40]. A PPR biológiai értéke ellenére a gyepveszteség folytatódik, és a természetvédelmi erőfeszítések nem tartják a lépést [5, 6, 40, 41].

A gyep- és vizes élőhelyektől függő bióta támogatása mellett a régió gazdag jeges talajának és a mérsékelt éghajlatnak az ötvözete ideális területté tette a mezőgazdasági árutermelés számára [42]. A növénytermesztés megkönnyítése érdekében az őshonos magasfű prérinek körülbelül 95% -át és a kevert füves préri 60% -át átalakították termőfölddé az európai betelepülés óta (1. ábra) [43]. Annak érdekében, hogy jobban megértsük, hogy ez a talajtakaró változás hogyan befolyásolta a madárvidék integritását, számszerűsítettük a megfelelő gyepmadár-élőhelyeket a három III. Szintű ökorégióban (Északi-jeges elföld, Északnyugat-jeges elföld és az Agassizi-tó síksága) 28.] és egy IV. Szintű ökorégió (Des Moines Lobe) [28], amelyek a PPR egyesült államokbeli részét képezik (1. ábra).

Modellezési megközelítés

A legelő és a madár élőhelyének számszerűsítéséhez az ökoszisztéma-szolgáltatások és a kompromisszumok integrált értékelésének élőhelyminőségi modulját (I n VEST) használtam, a 3.2.0 verziót [44]. Az I n VEST egy olyan térbeli modellezési eszközkészlet, amely számszerűsíti az ökoszisztémákból származó szolgáltatásokat, ideértve a vadon élő élőhelyek fenntartását is [45]. Az I n VEST használatával modelleztük a legelő és a madár élőhelyét a 2014-es évre. 2014-et választottuk, mert ez a legfrissebb év, amelyre mind energiafejlesztési, mind CRP adatrétegeket beszerezhetünk. Földborító adatrétegeket hoztunk létre a Nemzeti Agrárstatisztikai Szolgálat (NASS) 2014-es termőföld adatrétegének (raszter, 30 m 2) és az USDA Mezőgazdasági Szolgáltató Ügynökség közgazdasági és szakpolitikai elemzési munkatársaitól kapott alakfájl egyesítésével, amely meghatározta a CRP-be beiratkozott területeket. Az InVEST futásokban használt talajtakaró rétegek fejlődésének teljes leírását online az S2 táblázat tartalmazza.

A legnagyobb veszélyértéket az erdőkre és az urbanizált területekre rendeltük, mivel a gyepmadarak úgy találják, hogy ezek a talajtakaró típusok életciklusuk minden aspektusára gyakorlatilag alkalmatlanok, és olyan ragadozókat és fészekparazitákat hordoznak magukban, amelyek befolyásolják a közeli élőhelyek minőségét [17]. A termőföld élőhelyként szolgálhat (pl. A gabonafélék és a bogyós gyümölcsök táplálékforrásként szolgálnak, a növényzet pedig menekülési és árnyékoló takarásként szolgál), de a gyomirtáshoz, a talajműveléshez és a betakarításhoz kapcsolódó zavar általában kizárja a sikeres fészkelést, ha fészkelni is megpróbálnak [57]. Az energiafejlődést kísérő utak, kútbetétek és turbinapadok általában viszonylag alacsonyak a tájképi szinten, és a fajok különböző mértékű toleranciát mutatnak az ilyen típusú zavarokkal szemben [9,10].

Az InVEST modell pixelszinten a pixel eredeti élőhely-rangsorolási értéke csökkenhet a fenyegetés közelsége miatt, ami a két kimenetel egyikét eredményezi: olyan értékcsökkenést, hogy a pixel már nem tart fenn ≥ 0,3 értéket (azaz, megfelelő élőhelyként elveszik), vagy az érték csökkenése, de nem haladja meg a 0,3 értéket (azaz minőségromlás, de megfelelő élőhelyként még mindig elérhető). Így az élőhely elvesztése két helyzetben fordulhat elő: 1) amikor egy pixel egy élőhelyi földhasználati kategóriából nem élőhely kategóriává alakul át, mint abban a helyzetben, amikor az őshonos prér kukoricává alakul, vagy 2) amikor egy pixel maga nem változtatja meg a földhasználati kategóriát, de a közeli pixel megváltoztatása kiváltja a fenyegetési távolságot, hogy a fókusz pixel értéke 0,3 alá csökkenjen. Ezt követően úgy döntöttünk, hogy izoláljuk és megvizsgáljuk öt fenyegetésünk közül kettő, a termőterület és az energia fejlődésének hatását, mivel a termőföldnek a legnagyobb a lábnyoma a PPR-ben (1A. Ábra), és ez a gyepmadarak élőhelyének elvesztésének hagyományos és folyamatos fő oka, mivel az energiafejlesztés egy újabb, de még mindig fejlődő fenyegetés, és hatása lokalizáltabb.

Az egyes fenyegetések helyéről bináris rasztereket hoztunk létre a PPR-ben. A termőföldet és az erdőt fenyegető rétegeket az R (3.2.0 verzió, rgdal, raster, sp és rgeos csomagok) átminősítésével fejlesztettük ki a talajtakaró rétegekből [58]. A 2015-ös Tiger/Line városi népszámlálási adatok és a NASS kombinációjával fejlesztettük ki a városi és a közúti veszélyeztetettségi rétegeket, és az Egyesült Államok Földtani Szolgálatán keresztül nyilvánosan elérhető 2014-es helyek letöltésével (S2 táblázat) fejlesztettük ki az energiafenyegetési réteget. A turbina helyszíneit 30 m-rel [59], a gáz- és olajkút-helyeket 100 m-rel [9] pufferoltuk, hogy a felületi ütközést ábrázoljuk. Amikor a modellben a fenyegetés helyét alkalmazták a tájra, minden fenyegetés súlya lineárisan bomlott le a hatás maximális távolságán, nagyobb hatást jelentve a fenyegetés közvetlen közelében.

Eredmények

A csak elfogási modellhez és az alapmodellhez képest az InVEST élőhelymodell jobban figyelembe vette a tenyészmadarak számának növekedését (ΔAIC> 2; 1. táblázat). Ellenőriztük, hogy az eredményül kapott InVEST élőhely-minőségi értékelések pozitívan viszonyultak-e az észak-dakotai gyepmadarak bőségéhez (együttható = 1,76, ± 97,5% C.I. = 0,15, 2. ábra). A BBS felmérésekből származó bőségbecslések és a modellezett madárbőségünk közötti kapcsolat szignifikánsan különbözött a nullától (C.I. tartomány: 1,61–1,92). Kiszámítottunk egy pszeudo R négyzetet 0,29 (± 97,5% C.I. = 0,03), jelezve a modell megfelelő illeszkedését, de azt sugallva, hogy a nem mért kovariánsok az élőhely minősége mellett befolyásolták a madarak tényleges előfordulását. Megjegyzendő továbbá, hogy a BBS egy élőhely-pontszámmal áll meg. 1. táblázat: A modellek kiválasztásának eredményei a csak elfogó, az alap-élőhely-pontszám és az InVEST élőhely-pontszám modellek között.

A kiindulási (2014) modellünkből és az alkalmas élőhely meghatározásáról, mint bármely más, 0,3-nál magasabb élőhelyminőségű talajtakarótípusról becsültük, hogy körülbelül 12 millió ha megfelelő gyep-madár élőhely (azaz az élőhely minőségi mutatója ≥0,3 ) 2014-ben a négy PPR ökorégión belül maradt (2. táblázat; 1B. ábra). Az Északi-jeges-síkság és az Észak-Nyugati-jeges-síkság ökorégiói a megfelelő gyepmadár-élőhely több mint 80% -át teszik ki. Megfelelő gyepmadár-élőhely elérhetősége a Des Moines Lobe ökorégióban volt a legalacsonyabb. A termőterület területe (8,9 millió ha) nagymértékben meghaladta az energiafejlesztésre szánt területet (44,5 ezer ha, 2. táblázat).

A területeket a Nemzeti Agrárstatisztikai Szolgálat Cropland Data Layer segítségével számszerűsítettük.

A kiindulási alapon megfelelő élőhelyet a Nemzeti Agrárstatisztikai Szolgálat (NASS) 2014-es Cropland Data Layer-jével számszerűsítettük. Az elveszett élőhely olyan megfelelő élőhelyet jelez, amely a relatív élőhely-minőségi besorolás (0,3) alá esett, maximális skála 1,0-nél. A leromlott élőhely alkalmas élőhelyet jelez, amely csökkent az élőhelyminőségi rangsorban, de 0,3 fölött maradt (vagyis nem veszett el). A zárójelben lévő értékek a jelenlegi (2014) megfelelő élőhely százalékos arányát képviselik a különböző forgatókönyvek szerint degradálva. Az ökorégiók az Északi-jeges-síkság (NGP), az Északnyugati-jeges-síkság (NWGP), az Agassizi-tó síksága (LAP) és a Des Moines Lobe (DML).

A forgatókönyv-alapú CRP-modellezésünk a megfelelő gyepmadár-élőhely veszteségét tárta fel (-2% a PPR-ben), ha a 2014-ben jelen lévő CRP-gyepek 25% -át visszaforgatják a mezőgazdasági termelésbe. A megfelelő élőhelyek elvesztése 9% -ra nő (kb. 1 millió ha veszteség), ha a PPR-ben található összes CRP-gyepet visszaadják a mezőgazdasági termelésnek (4. táblázat; 3A. És 3B. Ábra). Modellezésünkből az is kiderül, hogy a Des Moines Lobe-nak lenne a legnagyobb relatív vesztesége a megfelelő gyep-madár élőhelyről (-36% abban a forgatókönyvünkben, amelyben az összes CRP gyepet termőfölddé alakítják), és az Északnyugat-jeges-síkság legalább 3% -kal (táblázat 4. ábra; 3A. És 3B. Ábra).

A zárójelben lévő értékek a jelenlegi (2014) megfelelő élőhely százalékos arányát képviselik a CRP-átalakítás különböző forgatókönyvei alatt.

Vita

Bemutattuk az InVEST-modellezési megközelítés alkalmazásának hasznosságát az élőhelyek gyepmadarakra való alkalmasságának számszerűsítésében és a talajtakarási átalakítási szcenáriók ezekre az élőhelyekre gyakorolt hatásainak becslésében. Fontos különbségtétel az InVEST és más megközelítések között, hogy az InVEST nemcsak a talajtakaró átalakítási forgatókönyvek modellezését teszi lehetővé, hanem annak számszerűsítését is, hogy az élőhely „fenyegetései” hogyan befolyásolják a táj szintjén az élőhelyek hozzáférhetőségét egy szervezet számára. Ez lehetővé teszi a szilárdabb számszerűsítést arról, hogy a talajtakaró mátrixok, amelyek némelyike alkalmas a madarak élőhelyére, és amelyek részben élőhely-veszélyeket jelentenek, kölcsönhatásba lépnek, hogy befolyásolják a táj általános integritását, esetünkben a gyepmadarak számára.