Проект «Биологическая динамика лесных фрагментов»

Проект расположен недалеко от Манауса.

Проект «Биологическая динамика фрагментов леса» ( BDFFP; или Projeto Dinâmica Biológica de Fragmentos Florestais, PDBFF, на португальском языке ) представляет собой крупномасштабный экологический эксперимент, изучающий влияние фрагментации среды обитания на тропические леса . Эксперимент, заложенный в 1979 году, расположен недалеко от Манауса в бразильских тропических лесах Амазонки . Проект осуществляется совместно Центром биоразнообразия Амазонки и Бразильским институтом исследований Амазонки (INPA).

Проект был инициирован в 1979 году Томасом Лавджоем для расследования дебатов о SLOSS . Первоначально названный «Проект минимального критического размера экосистем», В рамках проекта были созданы фрагменты леса размером 1 гектар (2 акра), 10 гектаров (25 акров) и 100 гектаров (247 акров). Данные были собраны до создания фрагментов, а исследования последствий фрагментации сейчас превышают 25 лет.

По состоянию на апрель 2020 года в рамках проекта было опубликовано 785 статей в научных журналах и более 150 дипломных работ.

История

Проект «Биологическая динамика лесных фрагментов» (BDFFP) родился в результате дебатов о SLOSS (один большой или несколько небольших заповедников равной площади) в середине 1970-х годов. о применении теории островной биогеографии к планированию природоохранных мероприятий. Дебаты начались, когда Дэн Симберлофф и Ларри Абеле поставили под сомнение использование теории биогеографии островов при проектировании заповедников. Теория, разработанная Робертом Макартуром и Э.О. Уилсоном, предсказала, что видовое богатство острова увеличивается по мере увеличения площади заповедника и уменьшения расстояния до материковых источников колонизации. Также установлено, что форма заповедника очень важна для видового разнообразия. Запасы с большим соотношением края к площади, как правило, больше подвержены краевому эффекту, чем запасы с небольшим соотношением края к площади. Расстояние между заповедниками и средой обитания, окружающей заповедники (матрица), также может влиять на видовое богатство и разнообразие. Эта концепция была применена к планированию природных заповедников, которые по сути представляют собой острова в море среды обитания, созданной человеком или доминируемой человеком. Симберлофф и Абеле утверждали, что хотя в меньших заповедниках будет содержаться меньше видов, чем в более крупных, серия небольших заповедников теоретически может содержать (защитить) столько же видов, сколько один большой заповедник.

Несмотря на кажущуюся логичность этих идей, экологи поставили под сомнение результаты дебатов о SLOSS из-за отсутствия критически важных доказательств по этому вопросу. Многие экологи начали проводить исследования и эксперименты на фрагментированных экосистемах, чтобы заполнить этот пробел, в том числе Том Лавджой, который разработал крупномасштабный эксперимент, изучавший влияние фрагментации разного размера на животных, растения и экологические процессы. Первоначальная идея возникла в 1977 году. Целью Лавджоя на протяжении всего эксперимента было получить представление о влиянии фрагментации среды обитания на виды в тропических лесах. Он назвал его «Проектом минимального критического размера экосистем» (позже название было изменено на «Проект биологической динамики лесных фрагментов»).

В 1978 году Лавджой нанял Роба Бьергора для реализации проекта на местах. В 1979 году Национальный институт исследований Амазонии (INPA) одобрил, а Национальный исследовательский совет Бразилии одобрил эксперимент Лавджоя. Как только разрешения были получены, Бьергор переехал в Бразилию, чтобы запустить проект в тропических лесах на севере Манауса. BDFFP начинался как совместный проект Бразильского национального института исследований Амазонки и Всемирного фонда дикой природы. Сейчас это совместный проект INPA и Смитсоновского института. BDFFP стал одним из наиболее важных исследований фрагментации тропических лесов, поскольку это единственное продолжительное исследование, в котором данные были получены до того, как были созданы фрагменты, а исходные данные были взяты из сплошного леса.

Развитие проекта и гипотеза

Изучение фрагментации среды обитания заложило свои корни рано: идеи Альдо Леопольда о краевом эффекте , а также исследования и модели островной биогеографии Роберта Макартура и Э.О. Уилсона заложили основу для этой области (Laurance and Bierregaard 1997). Эти концепции предлагают потенциально применимую и гипотетико-дедуктивную ценность для изучения фрагментации лесов и вдохновили дебаты о дизайне заповедников среды обитания.

Вообще говоря, теория островной биогеографии представляет собой совокупность переплетенных идей (Harris 1984), описывающих закономерности цветочных и фаунистических сообществ на морских островах. Он моделирует фундаментальные процессы, такие как расселение, разнообразие и динамика населения островов с учетом их площади и расстояния от других островов или материка. Теоретически фрагменты леса приобретают характеристики островов обитания пропорционально степени и продолжительности изоляции (Harris 1984). Теория биогеографии островов и уроки, извлеченные из настоящей островной биогеографии, обеспечивают основу для разработки стратегии управления и рассмотрения конкретных переменных решений, таких как размер заповедника, его распределение, размещение и защитные меры (Harris 1984). Тем не менее, заметная разница между океаническими островами и наземными островами или фрагментами заключается в существовании суши, окружающей фрагменты или между ними, называемой матрицей. Последствия использования и управления этим пространством являются постоянным предметом изучения.

Наблюдения за краевым воздействием на среду обитания также важны, если не являются неотъемлемой частью изучения эффектов фрагментации. Было замечено, что по мере уменьшения расстояния от края среды обитания увеличивается множество изменений в среде обитания и трофических взаимодействиях, таких как хищничество в гнездах, снижение влажности и влажности почвы, солнечный свет, уменьшение видового богатства и изменения в составе видов. Степень этих воздействий на фрагменты продолжают изучать. Из-за в целом высокого соотношения опушки к площади обитания во фрагментах предполагается, что опушки имеют пагубные последствия для организмов, населяющих фрагменты леса.

Эти концепции во многом вдохновили дискуссию о размере резервов SLOSS (один большой или несколько малых), которую пытается решить проект «Минимальный критический размер экосистемы» (теперь известный как BDFFP). Дебаты о SLOSS — это продолжающаяся междисциплинарная дискуссия, в которой научное сообщество пытается понять и взвесить плюсы и минусы различных размеров и распределения заповедников для успешного сохранения экосистем: один крупный заповедник или несколько маленьких? Растущая и широко распространенная утрата и фрагментация среды обитания, а также дебаты о SLOSS привели к возникновению вопросов, на которые изначально стремился ответить BDFFP. В целом, целью Лавджоя при создании проекта было определение необходимого размера и размещения заповедника для успешного сохранения среды обитания и видов, отсюда и первоначальное название проекта. Согласно книге Бьергора «Уроки Амазонии» , Лавджой разработал теорию биогеографии островов и задал три ключевых вопроса:

1. Какое влияние размер фрагмента оказывает на скорость вымирания видов?
2. Будет ли местный темп вымирания в конечном итоге замедляться и останавливаться, выравнивая количество видов?
3. Как изменяются взаимодействия видов и демография в результате сокращения среды обитания?

С тех пор исследования, проводимые на сайте BDFFP, сильно различались по своим основным целям и гипотезам (Лоранс и Бьеррегаард, 1997). Наряду с размером, размещением и распределением заповедников также важно понимать и правильно управлять связями между фрагментацией среды обитания и устойчивостью экосистем (Bierregaard 2001). Исследования краевых эффектов, темпов вымирания, биотических и абиотических взаимодействий, факторов смертности, качества почвы и т. д., проводимые на этом участке, посвящены влиянию фрагментации на биоразнообразие и другие экологические изменения. Также изучаются другие аспекты, влияющие на экосистемы, такие как экономический и человеческий факторы. Многие исследования в BDFFP также пытаются найти способы применения исследований к методам восстановления, сохранения и управления тропическими лесами. Первоначальный ключевой вопрос о минимальном размере экосистемных резервов положил начало невероятному разнообразию исследований, которые продолжают расти и диверсифицироваться.

Область исследования

BDFFP охватывает около 1000 км. ² Бразильского региона Амазонки, расположенного в 70 км к северу от Манауса, Бразилия, в Южной Америке. Этот конкретный район Южной Америки славится своими тропическими лесами и климатом, а также высоким уровнем разнообразия дикой природы.

Зона соответствующего экологического интереса BDFFP , в которую входят территории исследования, разделена между муниципалитетами Манаус (3,61%) и Риу-Прету-да-Эва (96,39%). Его общая площадь составляет 3288 га (8120 акров). Район исследования находится примерно в 80 километрах (50 миль) к северу от города Манаус .

В среднем в бассейне Амазонки выпадает от 1900 до 2500 миллиметров осадков в год, а среднегодовая температура составляет 26 °C с заметным сухим сезоном с июня по октябрь. Еще одной отличительной особенностью лесов BDFFP является полог, высота которого может достигать от 30 до 37 метров, а высота некоторых надводных участков достигает 55 метров. Эти леса, в подлеске которых преобладают пальмы, являются домом для более чем 1200 видов деревьев, относящихся как минимум к 64 семействам.

Запасы BDFFP находятся в незатопленных тропических равнинных лесах, где почвы бедны питательными веществами, а рельеф колеблется от 50 до 150 м над уровнем моря. Хотя территория относительно равнинная, она включает в себя три крупных пастбища крупного рогатого скота и 11 фрагментов леса площадью от 1 до 100 га, окруженных сплошным лесом, который действует как экспериментальный контроль (Laurance 2011).

Для получения подробных изображений исследуемой территории посетите карты INPA.

В начале 1980-х годов вырубка и сжигание привели к изоляции фрагментов на расстоянии примерно 80–650 метров от окружающего нетронутого леса , и эта процедура повторялась несколько раз на протяжении всего эксперимента из-за успешного отрастания вторичных лесов (Laurance 2011). Окончательная изоляция заповедника произошла в 1990 году, когда была успешно вырублена и сожжена полоса шириной 200 метров вокруг заповедника Димона.

Важной характеристикой разнообразия бассейна Амазонки является то, что многие виды редки или хаотично распространены по амазонским лесам. Это приводит к явлению, известному как «эффект выборки», который предполагает, что отсутствие видов в экспериментальных фрагментах может быть связано с тем, что они не присутствовали во время создания фрагментов, а не с исчезновением (Laurance 2011). Этот эффект важен для понимания последствий фрагментации лесов, поскольку небольшие фрагменты не могут поддерживать большие популяции из-за конкуренции за ресурсы и утраты среды обитания. Поэтому в эксперименте маловероятно, что в этих более мелких фрагментах появятся виды, отсутствующие в начале эксперимента. Однако некоторые организмы остаются стабильными и даже предпочитают нарушенные участки. Листовые мохообразные, странствующие пауки и лягушки относятся к числу видов, которые остаются стабильными, в то время как к видам, предпочитающим разрывы, относятся колибри, бабочки и лианы. Поскольку матрица, окружающая изолированные фрагменты, не является полностью негостеприимной для некоторых видов, важно понять, как местная дикая природа может использовать эти измененные человеком среды обитания в качестве коридоров для расселения или размножения.

Примеры исследований

На участке BDFFP был проведен широкий спектр исследований, посвященных многим элементам воздействия фрагментации на организмы и условия среды обитания. Изучаются предметы из широкого спектра биоты, включая деревья и другую флору, микроорганизмы, а также различных позвоночных и беспозвоночных. Также были исследованы химия и развитие почвы, а также факторы человека и окружающей среды во фрагментах. Ниже кратко изложены некоторые известные исследования, проведенные на сайте BDFFP.

Краевые эффекты

Краевые эффекты — это общий термин, обозначающий воздействие различных сред обитания на барьере, где они встречаются, или вблизи него, «крае». Они являются важным фактором во многих средах обитания, особенно когда речь идет о фрагментированных средах обитания, и широко изучаются в полевых условиях. Одним из крупных исследований, проведенных по этой теме, было «Изменения окружающей среды и реакции растений, связанные с краями, из-за фрагментации лесов в центральной Амазонии», проведенные Валери Капос, Элизой Ванделли, Хосе Луисом Камарго и Жислен Ганаде. Следующее было резюмировано на страницах 33–44 книги « Остатки тропических лесов: экология, управление и сохранение фрагментированных сообществ», написанной У. Ф. Лорансом и Р. О. Бьергором.

Основным изменением, вызванным фрагментацией среды обитания, является увеличение доли краев, открытых для других местообитаний, и важность этого изменения в некоторой степени зависит от контраста между фрагментированной средой обитания и матрицей, в которой она встречается. Краевые эффекты также играют важную роль в региональной окружающей среде: леса Амазонки помогают поддерживать гидрологические циклы благодаря своей роли в эвапотранспирации и защите почвы. В зависимости от того, в какой степени влияние усыхающих краевых условий от вырубок (матрицы) проникает в лес и от того, как растения реагируют на него, можно ожидать, что фрагменты леса испаряют больше, чем эквивалентные площади сплошного леса. Поэтому данное исследование было сосредоточено на оценке краевых градиентов факторов, влияющих на суммарное испарение во фрагментах леса, и реакции растений на них. Также изучались изменения краевых эффектов со временем.

Исследованными факторами были температура, дефицит давления пара (ДПД) и влажность почвы. В ходе исследования измерения, выполненные на разных расстояниях вдоль трансектов от западной изолированной опушки к центру заповедника, сравнивались с измерениями, выполненными на контрольных участках на расстоянии более 500 м от опушки леса. Отношения между растениями и водой подлеска контролировались в засушливые сезоны, измерения влажности почвы проводились в течение десяти месяцев, измерялось распределение растений подлеска, проводились исследования микроклимата и расширения листьев, а также исследования структуры растительности, и все это в период с 1988 по 1990 год.

Как во влажный, так и в засушливый сезоны влажность почвы на краевых разрезах была аналогична таковой на контрольных участках, за исключением самой бровки и участка от 40 до 80 м от бровки. Потенциал почвенной влаги ниже точки увядания наблюдался в лесу в засушливый сезон, но самые засушливые точки не обязательно находились вблизи края, и никаких признаков продолжительной засухи обнаружено не было. Таким образом, любое воздействие краевой засухи на растения должно быть обусловлено совокупным воздействием пониженной влажности почвы и более высокого спроса в атмосфере, превышающего снабжающую способность сосудистых систем, а не дефицитом воды на уровне экосистемы.

Реакция растений: Что касается расширения листьев в Дугетии , не было различий в скорости расширения листьев между растениями в краевых зонах и растениями в контрольных зонах. Изучая, закрывают ли кроны деревьев свои устьица, чтобы уменьшить потерю воды в ответ на изменение окружающей среды, они не обнаружили никакой разницы между этими двумя местами. Они изучили ту же реакцию у растений подлеска и обнаружили, что результаты могут свидетельствовать о том, что виды подлеска действительно имеют более высокую эффективность использования воды вблизи опушки леса. Эту закономерность можно объяснить либо большим смешиванием воздуха снаружи леса с воздухом подлеска, либо более низкой скоростью разложения, либо и тем, и другим вблизи опушки. Также была проанализирована структура растительности. Они обнаружили, что четкие градиенты факторов окружающей среды, связанные с краями, уступили место более сложным закономерностям, что предполагает некоторое влияние края. Хотя было мало свидетельств того, что края влияют на состояние воды в растениях, распространение по крайней мере одного вида подлеска предполагает, что близость к краю невыгодна.

Некоторые общие выводы, предложенные в этом исследовании, заключаются в том, что краевые эффекты на переменные окружающей среды становятся более сложными по мере старения краев. На эти сложные закономерности и реакцию растений на них, вероятно, сильно влияют частые разрывы вблизи краев, изменение структуры растительности и продолжающееся изменение характера и степени краевых эффектов. Управленческие решения, основанные на пограничных эффектах, должны включать понимание механизмов, лежащих в основе этих эффектов, а для определения этих механизмов и их изменений с течением времени необходимы долгосрочные исследования.

Воздействие на фауну

Было проведено множество исследований о влиянии фрагментации на позвоночных и беспозвоночных, включая земноводных, насекомых, млекопитающих и птиц. Это исследование «Птицы подлеска и динамическая мозаика среды обитания в тропических лесах Амазонки», проведенное Ричардом Бьеррегардом и Филипом С. Стоуффером, представляет собой долгосрочный эксперимент по изучению птиц в динамической системе небольших остатков лесов, окруженных пастбищами или заброшенными пастбищами, подвергающимися вторичной сукцессии. Следующее было резюмировано на страницах 138–155 книги « Остатки тропических лесов: экология, управление и сохранение фрагментированных сообществ», написанной У. Ф. Лорансом и Р. О. Бьергором.

В рамках серии фрагментов площадью 1 и 10 га и одного фрагмента площадью 100 га была проведена программа маркировки-повторного поимки птиц подлеска с целью выявления изменений в видовом составе и уровне активности. Был проведен анализ широко определенных экологических гильдий, включая нектароядных, насекомоядных и плодоядных. Они связали изменения во фрагментной орнитофауне с размером остатков, временем, прошедшим с момента изоляции, и характером окружающей растительности.

Что касается насекомоядных, то численность и видовое богатство наиболее часто отлавливаемых птиц в заповедниках после изоляции значительно снизились. Виды, облигатно следящие за армейскими муравьями, полностью исчезли из изолятов на площади 1 и 10 га в течение 2 лет изоляции. Как и в случае с насекомоядными, у плодоядных животных наблюдалось значительное снижение показателей отлова после изоляции, а у четырех видов наблюдалось влияние времени, прошедшего после изоляции. Нектароядные животные, такие как подлесковые колибри, оказались менее уязвимыми к фрагментации, чем насекомоядные и плодоядные.

Птицы играют важную роль в экосистемах тропических лесов и, вероятно, являются наиболее изученной группой организмов в этих лесах, поэтому они предоставляют прекрасную возможность понять реакцию фауны на фрагментацию среды обитания. В ходе этого исследования были выявлены как особо чувствительные, так и нечувствительные группы видов. Это первые шаги в развитии понимания, необходимого для минимизации воздействия человека на экосистемы тропических лесов.

Будущее

То, что началось как инициатива из пяти человек, постепенно набирало обороты по мере роста финансирования BDFFP и превратилось в успешный исследовательский проект среднего размера, которым управляет более крупный штат сотрудников. Этот рост позволил проводить непрерывные крупномасштабные инвентаризации реакции видов на фрагментацию, что является основным направлением исследований, касающихся будущего сохранения.

Одним из основных преимуществ этого исследования является то, что оно проводилось очень последовательно в течение длительного периода времени. Эксперименты, проводимые в течение нескольких десятилетий, допускают возникновение природных явлений, таких как засухи Эль-Ниньо, которые являются важными факторами, способствующими природным нарушениям, которые могут повлиять на фрагментацию.

Однако еще многое предстоит понять в отношении фрагментов леса. Как показывают данные BDFFP, даже небольшим фрагментам могут потребоваться столетия, чтобы стабилизировать свой флористический состав и запасы углерода после драматических экологических изменений (Laurance 2011).

Фундаментальные цели эксперимента BDFFP заключаются в сохранении больших площадей земли для обеспечения поддержания жизнеспособных популяций и поддержания естественных экологических процессов в лесах. Учитывая продолжающееся воздействие вырубки лесов на состав и процессы тропических лесов, можно сказать, что экологическое будущее региона Амазонки во многом связано с его экономическим будущим. Необходимо продолжать прилагать усилия для предотвращения катастрофических побочных эффектов, возникающих в результате пожаров, изменения климата и воздействия человека в результате коммерческой охоты и лесозаготовок.

Более 30 лет исследований и сбора данных с помощью эксперимента BDFFP привели ко многим открытиям и важным урокам для ученых, но также столкнулись со многими проблемами, такими как финансирование. С конца 1990-х годов колонизация и охота стали прямой угрозой BDFFP. Мощение шоссе Манаус-Венесуэла длиной 1100 км привело к увеличению заселения лесов и лесозаготовок (Laurance 2011). Поскольку приток людей на эти земли продолжается, природоохранные усилия BDFFP становятся все более важными, чтобы предотвратить разрушительное воздействие на окружающие лесные экосистемы.

См. также

• Ландшафтная экология
• Динамика патчей
• СЛОСС дебаты

Библиография

• АРИЭ Проект. B. Динамика лесных фрагментов (на португальском языке), ISA: Instituto Socioambiental , получено 18 октября 2016 г.
• Брэдшоу, Джорджия; П.А. Марке; Кэтрин Л. Ронненберг (2003). "Биологическая динамика лесных фрагментов. История проектов и объектов изучения" . Как меняются ландшафты: нарушение деятельности человека и фрагментация экосистемы в Америке : 34–36.
• Бьергор, Род-Айленд; В. Ф. Лоуренс (1997). Остатки тропических лесов: экология, управление и сохранение фрагментированных сообществ . Издательство Чикагского университета.
• Кресс, В. Джон; В. Р. Хейер; П. Асеведо; Дж. Коддингтон; Д. Коул; ТЛ Эрвин; Би Джей Меггерс; М. Пог; Р.В. Торингтон; РП Вари; М. Дж. Вайцман; С.Х. Вейцман (1998). «Биоразнообразие Амазонки: оценка приоритетов сохранения с помощью таксономических данных» (PDF) . Биоразнообразие и сохранение . 7 (12): 1577–1587. дои : 10.1023/а:1008889803319 . S2CID   30559965 .
• Кваммен, Дэвид (1996). Песня дронта: биогеография острова в эпоху вымирания . Скрибнер. ISBN  0-684-80083-7 .
• Кольберт, Элизабет . «Шестое вымирание: неестественная история» – Генри Холт, США, 2014 – ISBN   978-0-8050-9299-8

Внешние ссылки

• Веб-сайт INPA BDFFP
• Веб-сайт Центра биоразнообразия Amazon
• Смитсоновский институт тропических исследований