Допринесе еднакво за тази работа с: Джил А. Шафър, Кали Л. Рот, Дейвид М. Муше

растениевъдството

Роли Концептуализация, куриране на данни, разследване, методология, валидиране, визуализация, писане - оригинален проект, писане - преглед и редактиране

Асоциация Американска геоложка служба, Център за изследване на дивата природа в Северна прерия, Джеймстаун, Северна Дакота, Съединени американски щати

Допринесе еднакво за тази работа с: Jill A. Shaffer, Cali L. Roth, David M. Mushet

Концептуализация на роли, куриране на данни, официален анализ, разследване, методология, софтуер, валидиране, визуализация, писане - преглед и редактиране

Affiliation U. S. Геологическа служба, Западен център за екологични изследвания, полева станция Dixon, Dixon, Калифорния, Съединени американски щати

Допринесе еднакво за тази работа с: Jill A. Shaffer, Cali L. Roth, David M. Mushet

Роли Концептуализация, придобиване на финансиране, методология, администриране на проекти, ресурси, надзор, визуализация, писане - преглед и редактиране

Асоциация Американска геоложка служба, Център за изследване на дивата природа в Северна прерия, Джеймстаун, Северна Дакота, Съединени американски щати

  • Джил А. Шафър,
  • Кали Л. Рот,
  • Дейвид М. Муше

Фигури

Резюме

Цитат: Shaffer JA, Roth CL, Mushet DM (2019) Моделиране на ефекти от производството на култури, развитието на енергията и опазването на пасищата върху птичи местообитания. PLoS ONE 14 (1): e0198382. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0198382

Редактор: Исмаел Аарон Кимирей, Институт за изследвания на рибарството в Танзания, ОБЕДИНЕНА РЕПУБЛИКА ТАНЗАНИЯ

Получено: 11 май 2018 г .; Прието: 21 ноември 2018 г .; Публикувано: 9 януари 2019 г.

Това е статия с отворен достъп, без никакви авторски права, и може да бъде възпроизвеждана, разпространявана, предавана, модифицирана, надграждана или използвана по друг начин от всеки за каквато и да е законна цел. Произведението е предоставено на базата на Creative Commons CC0, посветена на публичното достояние.

Наличност на данни: Всички данни, използвани в подкрепа на този ръкопис, са публично достъпни чрез USGS на https://doi.org/10.5066/F72J69RM.

Финансиране: Финансовата подкрепа за тези усилия дойде от Службата за опазване на природните ресурси на USDA чрез техния проект за оценка на въздействието върху опазването (CEAP — Влажни зони) и служителите на Агенцията за земеделски услуги по икономически и политически анализ. Финансистите не са играли роля в дизайна на проучването, събирането и анализа на данни, решението за публикуване или подготовката на ръкописа.

Конкуриращи се интереси: Авторите са декларирали, че не съществуват конкуриращи се интереси.

Въведение

Птиците извършват различни подпомагащи, предоставящи, регулиращи и културни услуги, както е определено в Оценката на екосистемите на хилядолетието [1]. По този начин опазването на биоразнообразието на птиците има многобройни положителни ползи за обществото. Птиците са важни в културно отношение в изкуствата и литературата; развлекателно за наблюдатели на птици и ловци; и икономически като опрашители, хищници от вредители, разпръсквачи на семена и хранителни цикли [2]. Въпреки това, в продължение на повече от две десетилетия орнитолозите вдигат тревога за стремителния спад на пасищните птици, задвижван главно от загубата и деградацията на местообитанията чрез антропогенни средства [3, 4]. Въпреки признаването на проблема, местообитанието на пасищните птици продължава да се губи и деградира [5–7], а популациите на птиците продължават да намаляват [8].

Регионът на прерийни дупки (PPR) в Северна Америка е дом на 38 от 41 вида, класифицирани от Sauer et al. [8] като пасищни птици. Повечето от тревните площи, на които тези видове разчитат като местообитание, са превърнати в алтернативни цели [5]. Две основни причини за съвременната загуба на местообитания са производството на култури и развитието на енергия, които водят до преобразуване и фрагментация на пасищата [6, 9, 10]. Нито един от тези двигатели (т.е. производство на растения или развитие на енергията) не отслабва. Ларк и сътр. [6] изчислява, че общата нетна площ на обработваемите площи се е увеличила в цялата страна с 2,98 милиона декара от 2008 до 2012 г., като най-голямото увеличение се наблюдава в PPR. Най-големият регионален растеж на производството на суров нефт през 2025 г. в САЩ се очаква да дойде от формацията Bakken в Северна Дакота, САЩ [11]. Международната енергийна агенция [12] прогнозира, че най-големият ръст в производствения капацитет в света ще бъде от възобновяеми енергийни източници, като САЩ са вторият по големина пазар след Китай. Регионално щатите Северна Дакота и Южна Дакота имат изобилие от вятърни ресурси, като рутинно се класират в топ 20 на произвеждащите вятър държави [13, 14].

В допълнение към настоящата загуба на консервационни пасища за растителна продукция, нарастващото търсене на местни енергийни източници вероятно ще има отрицателно въздействие върху количеството и качеството на пасищата. McDonald et al. [18] изчислява, че до 2030 г. ще са необходими 20,6 милиона хектара нова земя, за да се отговори на енергийните нужди на САЩ, като се предвижда умерените пасища да бъдат един от най-силно засегнатите сухоземни типове местообитания. Най-непокътнатите пасищни ландшафти в PPR обикновено са разположени върху геоложки характеристики с висока надморска височина, които са прекалено здрави за механизирано селскостопанско оборудване или прекалено сухи за земеделски култури, но дори тези пасища са застрашени поради техния потенциал като места за вятърни съоръжения или за разработване на нефт и газ [9, 10].

Екорегионите са Северните заледени равнини (NGP), Северозападните заледени равнини (NWGP), равнината на езерото Агасис (LAP) и екорегионите на Des Moines Lobe (DML) [28].

материали и методи

Учебна област

PPR обхваща приблизително 82 милиона ха от САЩ и Канада (Фигура 1). Ледниковите процеси оформят региона и създават пейзаж, състоящ се от милиони палустринови влажни зони (често наричани прерийни дупки), разпръснати в матрица на пасища [29, 30]. PPR е признат за един от най-големите тревни/влажни комплекси в света [31]. Това е глобално важна екосистема за голямо разнообразие от флора и фауна, включително тревни и влажни растения [32], пасищни птици [33], брегови птици [34], водни птици [35], водолюбиви птици [36], дребни бозайници [37], земноводни [38] и водни и сухоземни безгръбначни, включително опрашители [30, 39, 40]. Въпреки биологичната стойност на PPR, загубата на пасища продължава и усилията за опазване не вървят в крак [5, 6, 40, 41].

В допълнение към подпомагането на зависимата от пасища и влажни зони биота, комбинацията от богатите ледникови почви в региона и умерения климат го прави идеална зона за селскостопанско производство [42]. За улесняване на растениевъдството, приблизително 95% от местната прерия с висока трева и 60% от местната прерия със смесена трева са превърнати в земеделски площи от европейското заселване (Фигура 1) [43]. В опит да увеличим нашето разбиране за това как тази промяна на земната покривка е повлияла на целостта на местообитанието на птиците, ние определихме количествено подходящо местообитание на тревни площи в трите екорегиона от ниво III (Северни заледявани равнини, Северозападни заледявани равнини и равнина Агасис) [ 28] и един екорегион IV ниво (Des Moines Lobe) [28], които съставляват частта на САЩ за PPR (Фигура 1).

Подход за моделиране

Използвахме модула за качество на местообитанията на интегрираната оценка на екосистемните услуги и компромисите (I n VEST), модел за моделиране, версия 3.2.0 [44], за да определим количествено местообитанията на пасищни птици. I n VEST е набор от пространствено базирани инструменти за моделиране, които количествено определят услугите, получени от екосистемите, включително поддържането на местообитанията на дивата природа [45]. Използвайки I n VEST, ние моделирахме местообитание на пасища-птици за 2014 г. Избрахме 2014 г., защото това е най-текущата година, за която бихме могли да получим както слоеве от данни за енергийно развитие, така и за CRP. Създадохме слоеве от данни за земно покритие, като комбинирахме слоя от данни за земеделската земя за 2014 г. на Националната служба за селскостопанска статистика (NASS) (растер, 30 m 2) и файл с форма, получен от персонала на Агенцията за земеделска услуга на USDA за анализ на икономиката и политиката, който идентифицира области, регистрирани в CRP през 2014 г. Пълно описание на нашето развитие на слоевете земно покритие, използвани в InVEST писти, е предоставено онлайн в таблица S2.

Ние определихме най-голямата заплаха за горските и урбанизираните райони, тъй като пасищните птици намират тези видове земно покритие практически неподходящи за всички аспекти на техния жизнен цикъл и в тях се намират хищници и гнездови паразити, които влияят върху качеството на близките местообитания [17]. Земеделските земи могат да служат като местообитание (напр. Зърнените култури и плодовете служат като източници на храна, а растителността служи като бягство и сянка), но нарушението, свързано с борбата с плевелите, обработката на почвата и реколтата обикновено пречи на успешното гнездене, ако дори се опитва да гнезди [57]. Пътищата, кладенците и турбинните накладки, придружаващи енергийното развитие, обикновено имат малък относителен отпечатък на ландшафтно ниво и видовете показват различна степен на толерантност към този тип смущения [9,10].

На ниво пиксел в модела InVEST, оригиналната стойност за класиране на местообитанията на пиксела може да намалее поради близостта му до заплаха, причинявайки един от двата резултата: намаляване на стойността, така че пикселът вече не поддържа стойност ≥ 0,3, (т.е., се губи като подходящо местообитание) или намаление на стойността, но не под 0,3, (т.е. влошаване на качеството, но все още налично като подходящо местообитание). По този начин загубата на местообитание може да възникне при две ситуации: 1) когато пикселът се преобразува от категория на местообитанието на местообитание в категория, която не е местообитание, както в ситуацията, при която местната прерия се превръща в царевица, или 2) когато пиксел сам по себе си не променя категорията на земеползването, но промяната в близкия пиксел задейства разстоянието на заплахата, за да намали стойността на фокалния пиксел под 0,3. Впоследствие избрахме да изолираме и проучим въздействието на две от петте ни заплахи, обработваеми земи и енергийно развитие, тъй като обработваемите площи имат най-голям отпечатък в PPR (фиг. 1А) и са традиционната и продължаваща основна причина за загубата на местообитания за пасищните птици, като има предвид, че енергийното развитие е по-нова, но все още развиваща се заплаха и въздействието му е по-локализирано.

Създадохме двоични растри за местоположението на всяка заплаха в PPR. Разработихме слоеве от заплахи за земеделски земи и гори чрез процес на прекласификация на земни покривни слоеве, използвайки R (версия 3.2.0, пакети rgdal, raster, sp и rgeos) [58]. Разработихме слоеве от градски и пътни заплахи, използвайки комбинация от данните от преброяването на населението на градовете Тигър/Линия от 2015 г. и NASS и разработихме слоя от енергийни заплахи, като изтеглихме 2014 местоположения, публично достъпни чрез Геологическото проучване на САЩ (таблица S2) Буферирахме местата на турбините с 30 m [59] и местата на газовите и нефтени кладенци със 100 m [9], за да представим повърхностното въздействие. Когато местоположенията на заплаха бяха приложени към пейзажа в модела, теглото на всяка заплаха намаляваше линейно на максималното разстояние на въздействието, което представлява по-голямо въздействие в непосредствена близост до заплахата.

Резултати

В сравнение с модела само за прихващане и базовия модел, моделът на местообитанията InVEST отчита по-добре нарастването на изобилието на разплодни птици (ΔAIC> 2; Таблица 1). Ние проверихме, че резултатите от оценките за качеството на местообитанията на InVEST са положително свързани с изобилието на пасищни птици в Северна Дакота (коефициент = 1,76, ± 97,5% C.I. = 0,15, фиг. 2). Връзката между оценките на изобилието от проучванията на BBS и моделираното ни изобилие от птици се различава значително от нула (диапазон на C.I.: 1.61–1.92). Изчислихме псевдо R-квадрат от 0,29 (± 97,5% C.I. = 0,03), което показва справедливо съответствие на модела, но предполага, че неизмерените ковариации в допълнение към качеството на местообитанията влияят върху действителното появяване на птиците. Също така трябва да се отбележи, че BBS спира с оценка за местообитанието Таблица 1. Резултати от избора на модел между моделите само за прихващане, оценка за изходно местообитание и модели за оценка на местообитанията InVEST.

От нашия изходен модел (2014 г.) и нашето определение за подходящо местообитание като всеки тип земно покритие с класиране на качеството на местообитанията по-високо от 0,3, ние изчислихме, че около 12 милиона ха подходящо местообитание на пасищни птици (т.е. оценка на качеството на местообитанията ≥0,3 ) остана в рамките на четирите PPR екорегиона през 2014 г. (Таблица 2; Фигура 1Б). Екорегионите Северни заледявани равнини и Северозападните заледени равнини представляват над 80% от подходящото местообитание на пасищни птици. Наличието на подходящо местообитание за тревни площи е най-ниско в екорегиона Des Moines Lobe. Площта на обработваемата земя (8,9 милиона ха) значително надвишава площта, предназначена за енергийно развитие (44,5 хиляди ха, таблица 2).

Количественото определяне на площите се извършва с помощта на слоя данни на Националната служба за земеделска статистика.

Изходното подходящо местообитание е количествено определено с помощта на слоя данни за земеделските земи на Националната служба за земеделска статистика (NASS) за 2014 г. Изгубеното местообитание показва подходящо местообитание, което е паднало под относителния рейтинг на качеството на местообитанията от 0,3 при максимална стойност от 1,0. Деградираното местообитание показва подходящо местообитание, което е спаднало в класацията за качество на местообитанията, но е останало над 0,3 (т.е. не е загубено). Стойностите в скоби представляват процента на текущото (2014 г.) подходящо местообитание, влошено при различните сценарии. Екорегионите са Северните заледени равнини (NGP), Северозападните гласирани равнини (NWGP), езерото Агасис (LAP) и Des Moines Lobe (DML).

Нашето базирано на сценарии моделиране на CRP разкри загуба в подходящо местообитание на пасища-птици (-2% през PPR), ако 25% от CRP пасищата, налични през 2014 г., бъдат върнати в земеделското производство. Тази загуба на подходящо местообитание се увеличава до 9% (загуба от около 1 милион ха), ако всички CRP пасища в рамките на PPR бъдат върнати в селскостопанска продукция (Таблица 4; Фиг. 3A и 3B). Нашето моделиране също така разкрива, че лобът на Де Мойн ще има най-голяма относителна загуба на подходящо местообитание на пасища-птици (-36% в нашия сценарий, при който всички CRP пасища се превръщат в обработваема земя), а Северозападната ледникова равнина най-малко на 3% (Таблица 4; Фигура 3А и 3В).

Стойностите в скоби представляват процента на текущото (2014) подходящо местообитание, загубено при различните сценарии на преобразуване на CRP.

Дискусия

Демонстрирахме както полезността от прилагането на подхода за моделиране InVEST за количествено определяне на пригодността на местообитанията за пасищни птици, така и за оценка на ефектите от сценариите за преобразуване на земната покривка върху тези местообитания. Важно разграничение между InVEST и други подходи е, че InVEST позволява не само моделиране на сценарии за преобразуване на земно покритие, но и количествено определяне на това как „заплахите“ на местообитанията влияят върху наличието на местообитания на ландшафта върху организма. Това позволява по-надеждни количествени оценки на това как матриците на земната покривка, някои от които са подходящо местообитание за птици, а други от тях са заплаха за местообитанията, взаимодействат, за да повлияят на цялостната цялост на ландшафта, в нашия случай на пасищните птици.