海平面上升可能造成濒危保护挑战貂角海滨麻雀
斯蒂芬妮·s·Romanach
Saira m .海德尔和
埃里森·m·Benscoter- 美国地质调查局、湿地和水产研究中心、美国劳德代尔堡,佛罗里达州
气候变化下生物多样性保护是一项挑战性的工作。风景正由于气候变化和海平面上升但植物群落特别是不能跟上变化的步伐。预测生态模型可以帮助决策者理解物种可能会如何应对变化,然后调整管理措施结合未来所需的条件。佛罗里达大沼泽地是一个湿地生态系统,是许多物种的所在地,包括大量的濒危和特有的物种。湿地生态系统恢复已经持续了几十年,但考虑到海平面上升影响恢复规划还是最近的事。将潜在影响从海平面上升到恢复计划应该有利于沿海物种及其栖息地,特别是在佛罗里达州南部半岛。濒危貂海滨麻雀角(Ammospiza maritima君子兰)发生在泥灰岩草原栖息地在大沼泽地的南端。三个六个亚种群的位置直接到海岸。EverSparrow,我们使用了一个空间明确的预测模型来估计概率的麻雀存在考虑水文变化恢复和海平面上升。我们发现,麻雀存在下降的概率随着海平面上升。大约50年内,出现的概率大大减少对所有三个沿海分组人口地区,地区40%以上的概率越来越有限。考虑到极低的传播能力的物种和栖息地的地理限制扩张,我们的研究结果强调的重要性淡水流入南部大沼泽泥灰岩草原栖息地的保护。
介绍
尽管保护方法已经从单一物种随时间的焦点转向一套物种居住景观,濒危物种仍然接受特别关注他们的法律保护濒危物种法案(16事项§1531节。,1973)。许多生物多样性保护几十年来一直在测试方法如使用雨伞或指示种代表社区(诺斯,1990)和实现一个基于生态系统的管理方法,促进生态系统功能在景观尺度(考夫曼et al ., 1994)。虽然濒危物种提供法律保护,在某些情况下针对一个濒危物种栖息地管理导致人口进一步下跌其他濒危物种的生态系统,这表明方法改善生态系统功能作为一个整体可以多个物种在生态系统中,包括濒危物种居住(Simberloff 1998)。
确定最有效的保护生物多样性的方法是更具挑战性和不断变化的环境条件。管理行为是有效的今天可能不是可行的未来变化的景观。此外,植物可能无法改变他们的范围以应对不断变化的气候条件以及更多的移动的动物。一些营养社区需要转变1公里/年的速度跟不上气候变化Loarie et al ., 2009)。在高人口增长的地区和城市佛罗里达这样的入侵,这些保护的挑战更大(Terando et al ., 2014),会导致栖息地的分裂,特别是有关佛罗里达州的高流行和濒危物种的数量(Benscoter et al ., 2013)。
预测生态建模可以帮助保护从业人员识别管理行动达到预期未来的生态环境。空间生态学领域已经变得非常有许多空间显式方法可用来解决保护挑战(弗莱彻和福丁,2018)。除了这些进步,预测气候条件的精制和缩减规模细决议对未来更有意义的评估潜在的条件(他泊和威廉姆斯,2010年;王et al ., 2016)。佛罗里达,特别是大湿地生态系统(以下简称“大沼泽”),数据丰富的优势,提供强度分析的生态关系。许多这样的容易理解的关系已经变成了生态模型协助湿地恢复和保护规划(Romanach和佩尔斯坦,2022年)。
几十年的大沼泽地环境恶化已经导致了世界上最大的恢复项目之一,2000年由国会授权(公法106 - 541 - 2000年水资源开发法案)。沼泽湿地曾是大“河草”与淡水慢慢朝海岸向南流动的整个景观(道格拉斯1947)。住宅和农业发展从1880年代开始退化和分裂运河和堤坝的湿地系统使用(光和Dineen, 1994)。此外,大沼泽地的地理位置在佛罗里达半岛南端使海平面上升的威胁已经导致栖息地的变化(克劳斯et al ., 2011)。迅速发展的海洋领导联邦合作伙伴在湿地恢复,美国陆军工兵部队,要求考虑所有未来海平面上升的项目计划(美国陆军工程兵团监管1100-2-8162,2019)。湿地恢复旨在“水权”的套件等物种栖息在湿地水鸟(鹳形目)和美国鳄鱼(鳄鱼mississippiensis)。然而,水文和需要不同的物种和栖息地产生物种优先避免进一步危及他们的种群和栖息地(Romanach et al ., 2022 b)。
濒危貂海滨麻雀角(Ammospiza maritima名称;以下“麻雀”)是一个特有物种栖息的湿地草原泥灰岩,连同其他物种如佛罗里达豹(列出彪马concolor coryi)和木材鹳(Mycteria美国)。泥灰岩草原栖息地是有限的空间范围和有界通过向南部和西部海岸线和基础设施到北部和东部(Benscoter Romanach, 2022)。麻雀种群数量下降了大约63%自1990年代初以来2021年的不到2500只鸟(Virzi Tafoya, 2021;Benscoter Romanach, 2022)。他们发现在六个亚种群(名为f)在南部大沼泽和相对有限的久坐不动的运动和亚种群之间(内洛克伍德et al ., 2001)。麻雀是一个地面筑巢的鸟,需要荒芜short-hydroperiod湿地条件导致泥灰岩草原成功复制(戴维斯et al ., 2005)。有很多对这个物种的威胁包括巢洪水、水资源管理制度,繁殖季节火灾和木本植被侵蚀(Benscoter et al ., 2021;Benscoter Romanach, 2022)。急剧下降在观察鸟占分组人口在过去的30年里,估计到0鸟类观察到广点估算2021年调查(Benscoter Romanach, 2022)。鸟类数量的亚种群C, D, F是相对较低,自1981年以来下降(尽管族群D显示最近的增加),而亚种群B和E相对稳定和更多的鸟类(Benscoter et al ., 2021;Benscoter Romanach, 2022)。分组人口估计为2021:0;B, 1488;C, 112;D, 288;E, 528;和F, 32 (Benscoter Romanach, 2022)。鉴于这一濒危物种的种群规模严重下降,栖息地的扩张和空间限制,问题仍然是未来的空间范围栖息地。
模型发展的湿地拥有先进的在过去的几年里,麻雀可以提供洞察未来的条件。麻雀是很难观察和需要昂贵的运输直升机访问远程荒野地区人口监控(沃尔特斯et al ., 2000;皮姆et al ., 2002)。预测建模可以利用这些现有的数据对管理目标输出问题频临灭绝的物种。预测模型对麻雀的栖息地被用于湿地恢复计划(Romanach和佩尔斯坦,2022年),但不保护利用规划。EverSparrow估计是空间显式模型,提供了潜在的麻雀的栖息地通过麻雀的概率自然资源管理器可以帮助目标保护行动(海德尔et al ., 2021)。EverSparrow模型相关的一系列环境因素麻雀的存在包括水深、火灾历史,和植被结构。虽然水文预测未来不存在检验条件与气候变化、水文生态系统响应预测恢复存在,以及海平面上升的预测。
我们的研究探讨了当前和未来的生境条件的貂角海边麻雀和认为持续的生态系统恢复和海平面上升的潜在影响。湿地恢复将需要几十年的时间来实现(国家研究委员会,2003年),因此,自然资源经理想知道适合麻雀的地区50年来,湿地恢复项目的全面实施,预测海平面继续上升。在这里,我们使用预测模型EverSparrow洞察当前和未来的潜在栖息地麻雀。本研究的输出可以帮助国家公园管理局的resist-accept-direct (RAD)框架对麻雀的栖息地作出战略决策管理不断变化的条件下(舒尔曼et al ., 2020)。
材料和方法
研究区域
我们的研究区域覆盖的地理范围6麻雀种群(f),主要分布在大沼泽地国家公园和大柏树国家保护(图1)。研究区域的程度取决于可用水文的足迹。研究区域的西部和南部边缘方法沿墨西哥湾海岸和佛罗里达海湾,分别。我们使用400×400所有建模、网格单元尺寸匹配使用的网格单元尺寸EverSparrow发展。
图1。研究区域的地图和重叠与管理领域的埃弗格莱兹国家公园(经验),大柏树国家保护(BCNP)和南部空地野生动物和环境区域(我们)。
环境变量
EverSparrow需要四年环境变量作为模型的输入:自去年火,最后火焚烧百分比,树冠覆盖百分比,%的木本植物。火灾历史纳入模型由于其重要性为泥灰岩草原植被和关系麻雀入住率和鸟类计数(Benscoter et al ., 2019;Benscoter Romanach, 2022)。先前的研究表明,火灾每4年相关最高水平的麻雀占用或鸟数(彪马,2010;Benscoter et al ., 2019)。泥灰岩草原植被可以从火2 - 4年内恢复,尽管植被恢复可以花费更多的时间如果洪水发生火灾后(La彪马et al ., 2007;Sah et al ., 2015)。我们计算火灾历史从埃弗格莱兹国家公园火灾数据库包含火灾地点和范围从1983年到2020年从埃弗格莱兹国家公园(提供请求)。我们确定年自去年火灾的数量和百分比的细胞燃烧在每个400×400 m网格单元。因为我们计算10年来最后一火,火的历史可以EverSparrow开始于1993年。
麻雀居住地区林木覆盖率较低或木本植物(Benscoter et al ., 2021;Benscoter Romanach, 2022),麻雀存在的概率是最高的树冠覆盖百分比低于10%和木本植被百分比低于25% (海德尔et al ., 2021);这些变量是包含在模型空间指示他们的缺席。我们计算树冠覆盖的土地多分辨率特征财团百分比树树冠覆盖数据集(30 m分辨率)在2011年全国土地覆盖数据库(美国林务局,2019年)。木本植物,我们使用合作土地覆盖图1.1版本的佛罗里达自然区域库存和佛罗里达鱼类和野生动物保护委员会(2010)(re-sampled 400×400米)。可以找到更详细的环境变量海德尔et al。(2021)。
水文
除了环境变量,EverSparrow需要两个水文变量来自日常水深:水文周期和天自去年干了。水文周期是不连续的数量湿天气候年(4月1日5月30)平均超过4年。天干燥是多长时间的计算网格单元已湿,向后计数最多3年或直到细胞干;在每周的时间步长计算用七天的时间步的第一天。这些变量都包含在模型由于其影响植被类型和麻雀的栖息地(Benscoter et al ., 2021;Benscoter Romanach, 2022)。
这些年在大沼泽地的水管理的变化和遵循监管计划,这是一个文件,它定义了操作计划水利基础设施(如泵和其他构造功能)。因为操作计划改变随着时间的推移,这将是不准确的使用历史水文估计未来的条件。因此,我们使用一个水文模型当前的操作计划基线模型的投影。在撰写本文时,水在湿地研究区域业务管理根据监管计划名为“ALTQ”联合作战计划(COP)。警察是在埃弗格莱兹国家公园旨在恢复水文条件变化时间、位置和体积的水从北方交付。供水应该公园广泛受益,包括水文恢复草原泥灰岩(美国鱼类和野生动物服务,2020年)。南佛罗里达水资源管理地区发达区域仿真模型并用它来生产历史水文场景,但电流调节时间表执行。我们选择2022年水文场景不采取行动(NA22f)作为基线水文估计当前麻雀条件。NA22f包括ALTQ水调节时间表和一段记录建模日常水深度从1965年到2016年。我们重新取样NA22f 400 m×400 m网格和计算水文周期和干从1969年到2016年以来的天。
海平面上升
我们使用了海平面上升(SLR)预测从佛罗里达大学的GeoPlan中心。GeoPlan中心使用美国陆军工程兵团(USACE)海平面变化曲线计算器(版本2019.21;SLCCC)决定了单反在潮汐的年度价值指标,最近的西礁岛的研究区域。1GeoPlan中心使用这些值来模拟洪水表面(5.4米分辨率)在年代际时间尺度上对所有佛罗里达沿海县浴缸使用修改后的方法与水文连通性过滤器移除区域隔离主要水道。2模拟输出包括估计由于单反泛滥的程度和深度。我们选择了USACE中间值和高单反预测显示值约0.24米(0.8英尺)和0.73米(2.4英尺),分别在50年(2066年;USACE 2013)。
在撰写本文时,没有水文模型存在的日常水深,单反纳入我们的研究区域。因此,检查潜在的未来条件麻雀我们结合现有水文模型(NA22f) GeoPlan中心的年代际单反预测。我们的方法是添加GeoPlan空间明确的洪水深度NA22f单反的水位。首先,我们重新取样单反泛滥表面400 m×400 m网格通过计算每个网格单元平均水深在ArcGIS Pro 2.9.1使用空间分析工具。接下来,使用R统计软件(R核心团队,2021年),我们翻译了空间显式GeoPlan中心的单反洪水层,在年代际尺度的年度规模。的单反的USACE SLCCC提供年度估计南佛罗里达,我们用来计算海平面的相对比例增加每年因为单反不随时间线性增加。我们使用这个比例分数暂时GeoPlan中心的年代际表面分解为每年泛滥的表面。例如,如果USACE SLCCC预计上升0.01米从第一年到第二年增加0.30从第一年到10年,然后我们计算出单反的比例在第一年的10年时间跨度为0.01米/ 0.30米= 0.03。然后我们乘十的单反泛滥表面0.03计算的年度水平为第一年单反。最后,我们添加了一年一度的海平面NA22f水位增加,使用这个过程USACE中间和较高的预测。
统计分析
EverSparrow是一个空间明确的贝叶斯logistic回归模型估计麻雀的概率存在通过确定麻雀的存在从统计调查数据点之间的关系和环境变量,详细描述海德尔et al。(2021)我们跑EverSparrow模型在三个水文场景:(1)NA22f(基线没有单反),(2)NA22f + USACE中间单反洪水(0.24单反在50年),和(3)NA22f + USACE高单反泛滥(0.73 m 50年来单反)。我们评估的概率预测的差异,麻雀区内存在的亚种群,B, d .我们选择这三个领域,因为他们是最接近海岸,最有可能影响单反。比较的场景,我们计算的平均概率麻雀在繁殖季节存在每个网格单元(3)。我们也计算了75分位数在繁殖季节,每年每网格单元。我们选择75分位数检查高适用性包括栖息地的变化,虽然不太高,影响异常值。我们测试了不同使用R (R核心团队,2021年)通过运行一个双向方差分析(方差分析)与水文场景和亚种群互动因素。对于成对比较,我们跑图基的诚实的显著差异(HSD)。
结果
为所有三个麻雀种群(A, B, D),平均EverSparrow存在下降的概率随着单反(图2)。网上所有的输出都是美国地质调查局数据版本(Romanach et al ., 2022 a)。双向方差分析显示,族群之间的相互作用和水文情况有显著影响的意思是麻雀的概率存在(F(234423)= 4754,p< 2−16)。主要的影响分组人口和场景中出现的概率显著(p< 2−16)。图基的HSD试验表明,均值之间存在的概率值基线水文(NA22f)和USACE中间单反场景明显不同的族群(p= 0,95% CI =[−0.009−0.003])和分组人口B (p= 0,95% CI = [−0.078−0.070])。USACE之间的中间值和高情况下,图基HSD测试还表明,存在明显不同族群的平均概率(p= 0.01,95% CI =[−0.006−0.001]),分组人口B (p= 0,95% CI = [−0.155−0.147]), D(和群p= 0,95% CI = [−0.119−0.103])。
图2。箱线图显示EverSparrow意味着貂海滨麻雀角存在的概率(Ammospiza maritima君子兰)领域的亚种群A、B和D三水文场景:一个基线(NA22f)没有海平面上升(SLR),美国陆军工程兵团(USACE)中间单反场景在50年(0.24),和USACE高单反场景在50年(0.73)。的意思是存在的概率值平均在繁殖季节(3)。
去年的三个场景中,我们计算的平均概率出现在繁殖季节(3)在研究区域的空间分布单反潜在麻雀栖息地的影响(图3)。意思是麻雀的概率存在领域的亚种群A和B减少从基线到0.24单反,也减少领域的亚种群,B和D从0.24单反0.73单反。0.73单反,几乎所有领域内分组人口D麻雀的存在概率不到10%,而分组人口B的面积只有概率出现10%以上的中北部和东北地区。虽然更内陆的亚种群并不是本研究的焦点,我们报告小的变化在亚种群的位置出现的概率值C, E和F单反的场景,除了西南部分的分组人口E 0.73单反的场景。
图3。地图显示EverSparrow意味着貂海滨麻雀角存在的概率(Ammospiza maritima君子兰;css)在繁殖季节(3月- 6月)去年的三个水文情况:(一)一个基线(NA22f)没有海平面上升(SLR),(B)美国陆军工程兵团(USACE)中间单反场景在50年(0.24),和(C)USACE高单反场景在50年(0.73)。
讨论
貂角海边麻雀流行的泥灰岩草原湿地及其范围不太可能扩大的硬边界南部和西部海岸线,城市化东和保水性北部地区。我们的结果表明,麻雀的存在可能的概率下降在沿海亚种群随着海平面上升。我们的研究结果与以前的研究显示可用的栖息地的减少盐沼麻雀由于海平面上升(Ammodramus maritimus;施赖弗和吉布斯,2004;克恩·施赖弗,2014;猎人et al ., 2015)。淡水栖息地和大海之间的界定变得不那么清晰,物种分布变化的结果(Pressey et al ., 2007)。适应这一挑战更大范围有限的物种,甚至对于那些有限的传播能力像麻雀一样。
亚种的海滨麻雀倾向于显示低运动和传播,使其关键保护他们目前占领的栖息地(上升,2005年)。貂角海边麻雀占据6个分组人口半数的地区容易受到海平面上升的威胁,因为他们离海岸。尽管青少年分散到1公里,他们倾向于将在600从出生的网站(洛克伍德et al ., 2001)。上下文,分组人口领域的边界之间的距离B和D是约9公里,和大多数种群在至少4公里。14带状成人麻雀的平均运动距离277米从一个繁殖季节到下一个(皮姆et al ., 2002)。使用mark-resight数据从1997年到2007年的一项研究发现,只有八个亚种群之间的青少年或成人移动实例(博尔顿et al ., 2009)。尽管长途运动很少,麻雀已经定居在新的领域3 - 7公里(迪恩和莫里森,2001年)。然而,因为他们的低分散能力,麻雀不得重新来到新的合适的领域(詹金斯et al ., 2003)。易位是一个应急管理选项中列出行动计划麻雀来帮助减少毁灭的风险(斯莱特et al ., 2009)。然而,成功的易位是取决于减少或消除威胁导致人口下降,以允许持久性(世界自然保护联盟/ SSC, 2013)。
除了范围限制,水文要求这地面筑巢的鸟类构成保护水资源管理者带来的挑战。因为麻雀是保护濒危物种法案,水管理决策必须考虑影响麻雀和它们的栖息地。分组人口的地区被排除在关键栖息地指定水位,这样不需要维护在“极低”条件的潜在好处麻雀,而允许更广泛的生态系统水平得益于修复(联邦公报,2007)。当水用北部边界的族群结构是保持低水位因麻雀的好处,也可以成为高水位地区北部和导致次优条件其他物种,包括另一个濒危的鸟,湿地蜗牛风筝(Rostrhamus sociabilis plumbeus;厨房et al ., 2002;USACE(美国陆军工程兵团),2020年]。
尽管水深不是唯一的因素影响这些濒危物种,恢复和水资源管理可以影响复苏,包括麻雀。在广阔的湿地恢复目的“水权,”一个目标是向南送更多的水在景观一旦发生自然水之前转移远离中部和南部湿地通过运河系统(戴维斯和奥格登,1994年)。大沼泽地是严格管理,水是穿过湿地隔间使用运河等基础设施,水泵,和盖茨。因为狭窄的水文乐队创造和维持泥灰岩草原生境条件麻雀繁殖季节期间,当前水操作计划,警察,为业务提供了灵活性,例如延迟开启或关闭的水控制结构的北麻雀栖息地(美国鱼类和野生动物服务,2020年)。虽然不是所有分组人口领域将受益均匀,总体而言,麻雀栖息地预计将受益于当前水行动计划(美国鱼类和野生动物服务,2020年)。在警察,住房面积分组人口E变得潮湿(Sah et al ., 2021),预计将变得不那么适合麻雀结果(美国鱼类和野生动物服务,2020年)。E持有第二高的区域群麻雀种群数量(后分组人口B;美国鱼类和野生动物服务,2020年)和位于从沿海向内陆亚种群,我们认为在我们的分析。实现水资源管理和恢复策略,提供适当的水文条件,麻雀在分组人口E可能从单反提供避难所的另一个好处。
因海平面上升产生的影响已经明显在佛罗里达南部通过营养变化和景观水平变化(罗斯et al ., 2000;克劳斯et al ., 2011;史密斯et al ., 2013)。许多研究调查的影响,盐度增加淡水沼泽的社区,这比淡水湿润草原麻雀占据了(罗斯et al ., 2006)。研究了盐度公差的淡水湿地物种和运动机制的红树林沼泽(麦基和门德尔松,1989;霍华德和门德尔松,2000年;江et al ., 2014)。耐盐的运动和入侵红树林在淡水沼泽与盐度增加社区在南佛罗里达是有据可查(罗斯et al ., 2000;克劳斯et al ., 2011;史密斯et al ., 2013)。更多的研究是必要的对盐水入侵的影响淡水草原社区(例如,Muhlenbergia)被麻雀。然而,红树林已经报告为侵犯到南部的部分亚种群B和D (Sah et al ., 2020;Benscoter et al ., 2021;Benscoter Romanach, 2022)。持续的海平面上升也可能使淡水沼泽和潮湿的草原社区更容易受到负面影响的飓风(例如,亚历山大,1967),特别是如果有严重风暴潮,内陆运输大量的盐水(江et al ., 2014)。麻雀繁殖的存在被认为是一个指标的泥灰岩草原条件(Elderd和诺特,2008年),将泥灰岩草原继承和底层泥灰岩底物动力学与单反有可能帮助自然资源经理了解到水和麻雀的栖息地管理。
实现淡水流和水深处成功繁殖可能允许的持久性貂角海边麻雀在短期内。然而,在当前的单反,麻雀栖息地预计将继续萎缩,和我们的研究结果显示显著下降预期麻雀在50年内出现的概率。给定的单反,淡水流入埃弗格莱兹国家公园的有效性降低盐度取决于水的时机发布从滞洪区北部的埃弗格莱兹国家公园,在旱季,早些时候释放能更好地降低盐度(Dessu et al ., 2018)。尽管气候变化减缓和淡水流量增加从单反可以减少干扰的影响,植被群落格局已经改变。与这些变化和气候变化已经明显没有明确解决濒危物种法案,自然资源机构可能面临短时间尺度来确定为濒危物种管理最佳实践在不断变化的环境条件。
数据可用性声明
原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。
作者的贡献
老领导的研究和写作。SH进行了分析。AB的文献综述进行了构思。所有作者的文章和批准提交的版本。
资金
资助这项工作是由美国地质调查局提供更大的大沼泽地优先生态系统科学项目。
确认
我们感谢t·霍普金斯和k·帕尔默在美国鱼类和野生动物服务的评论改进手稿。任何使用贸易、公司或产品名称仅用于描述,并不意味着美国政府支持的。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
处理编辑RW宣布过去的老合作作者。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
脚注
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关键词:Ammospiza maritima君子兰、气候变化、湿地生态系统恢复,泥灰岩草原,佛罗里达(美国)
引用:Romanach党卫军,海德尔SM和Benscoter(2023)海平面上升可能造成濒危保护挑战貂角海滨麻雀。前面。生态。另一个星球。10:1085970。doi: 10.3389 / fevo.2022.1085970
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