Les interactions climat-utilisation des sols façonnent la biodiversité des montagnes tropicales et les fonctions de l'écosystèm

Les interactions climat-utilisation des sols façonnent la biodiversité des montagnes tropicales et les fonctions de l'écosystèm

mars 28, 2019 0 Par admin

Abstrait

L’agriculture et l’exploitation des ressources naturelles ont transformé les écosystèmes de montagne tropicaux à travers le monde et les conséquences de ces transformations sur la biodiversité et le fonctionnement des écosystèmes sont en grande partie inconnues 1 , 2 , 3 . Les conclusions tirées d’études dans des zones non montagneuses ne permettent pas de prévoir les effets des changements d’affectation des sols sur les montagnes tropicales, car l’environnement climatique change rapidement avec l’altitude, ce qui peut atténuer ou amplifier les effets de l’utilisation des sols 4 , 5 . Il est essentiel de comprendre en quoi l’interaction du climat et de l’utilisation des terres limite les fonctions de la biodiversité et des écosystèmes pour déterminer les conséquences du changement global sur les écosystèmes de montagne. Nous montrons ici que les effets interdépendants du climat et de l’utilisation des terres modifient les tendances de la biodiversité et des fonctions de l’écosystème sur la plus haute montagne d’Afrique, le mont Kilimanjaro (Tanzanie). Nous constatons que l’augmentation de l’intensité d’utilisation des terres entraîne des pertes plus importantes de richesse en espèces végétales et animales dans les basses terres arides que dans les zones humides souterraines et montagnardes. L’augmentation de l’intensité d’utilisation des terres est associée à des changements importants dans la composition des communautés de plantes, d’animaux et de microorganismes. des modifications plus importantes des communautés végétales et animales se produisent dans les écosystèmes arides et humides, respectivement. La température, les précipitations et l’utilisation des sols modulent conjointement les propriétés du sol, le renouvellement des éléments nutritifs, les émissions de gaz à effet de serre, la biomasse et la productivité des plantes, ainsi que les interactions entre les animaux. Nos données suggèrent que la réponse des fonctions de l’écosystème à l’intensité de l’utilisation des terres dépend fortement du climat; des changements plus graves dans le fonctionnement des écosystèmes se produisent dans les basses terres arides et la zone de montagne froide. Les interactions entre le climat et l’utilisation des terres expliquaient – en moyenne – 54% de la variation de la richesse en espèces, de la composition des espèces et des fonctions de l’écosystème, alors que seulement 30% de la variation était liée à des facteurs individuels. Notre étude révèle que le climat peut moduler les effets de l’utilisation des sols sur la biodiversité et le fonctionnement des écosystèmes, et indique une résistance réduite des écosystèmes dans des environnements climatiques difficiles aux changements d’utilisation des sols en cours dans les régions montagneuses tropicales.

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Disponibilité des données

Les données à l’appui des conclusions de cette étude sont documentées et archivées dans la base de données centrale du projet de l’unité de recherche DFG-FOR1246 ( https://www.kilimanjaro.biozentrum.uni-wuerzburg.de ) et sont disponibles auprès des propriétaires de données sur demande raisonnable. Les données seront publiées en septembre 2020 via GFBio ( https://www.gfbio.org/ ), conformément aux règles de procédure de la Fondation allemande de recherche (DFG) et de l’unité de recherche DFG-FOR1246.

Information additionnelle

Note de l’éditeur: Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

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      Télécharger des références

      Remerciements

      Nous remercions la Commission tanzanienne pour la science et la technologie, le Tanzania Wildlife Research Institute et les autorités du parc national du Mont Kilimandjaro de leur soutien et de nous avoir donné accès au parc national du Mont Kilimanjaro; toutes les entreprises et les agriculteurs privés qui nous ont permis de travailler sur leurs terres; et le personnel de terrain de KiLi pour sa contribution à la collecte de données sur le mont Kilimandjaro. Cette étude a été réalisée dans le cadre de l’unité de recherche FOR1246 (Les écosystèmes du Kilimanjaro en pleine mutation: liens entre biodiversité, interactions biotiques et processus écosystémiques biogéochimiques, https://www.kilimanjaro.biozentrum.uni-wuerzburg.de ) financée par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

      Informations sur le réviseur

      Nature remercie Jari Oksanen, Piero Visconti, David Wardle et les autres relecteurs anonymes pour leur contribution à la relecture par les pairs de ce travail.

      Informations sur l’auteur

      Les affiliations

      1. Département d’écologie animale et de biologie tropicale, Biocentre, Université de Würzburg, Würzburg, Allemagne

        • Marcell K. Peters
        • Alice Classen
        • Friederike Gebert
        • William J. Kindeketa
        • Antonia V. Mayr
        • Henry K. Njovu
        • , Jie Zhang
        • & Ingolf Steffan-Dewenter
      2. Département de la systématique des plantes, Université de Bayreuth, Bayreuth, Allemagne

      3. Environmental Informatics, Faculté de géographie, Université de Marburg, Marburg, Allemagne

        • Tim Appelhans
        • Florian Detsch
        • , Ephraim Mwangomo
        • Insa Otte
        • Et Thomas Nauss
      4. Département des sciences du sol pour les écosystèmes tempérés, Université Georg August de Göttingen, Göttingen, Allemagne

        • Joscha N. Becker
        • , Holger Pabst
        • & Yakov Kuzyakov
      5. Département de géographie physique, Université Georg August de Göttingen, Göttingen, Allemagne

        • Joscha N. Becker
      6. Institut d’écologie évolutive et de génomique de la conservation, Université d’Ulm, Ulm, Allemagne

        • Christina Behler
        • Maria Helbig-Bonitz
        • Et Marco Tschapka
      7. Institut des sciences des plantes, Université de Berne, Berne, Suisse

        • Andreas Ensslin
        • Marion Renner
        • , Gemma Rutten
        • Et Markus Fischer
      8. Centre de recherche sur la biodiversité et le climat de Senckenberg (SBiK-F), Francfort-sur-le-Main, Allemagne

        • Stefan W. Ferger
        • Claudia chanvre
        • , Maximilian GR Vollstädt
        • Hamadi I. Dulle
        • , Katrin Böhning-Gaese
        • Matthias Schleuning
        • Et Markus Fischer
      9. Ecologie animale, Département d’écologie, Université de Marburg, Marburg, Allemagne

        • Sara B. Frederiksen
        • Christine Ngereza
        • Juliane Röder
        • Et Roland Brandl
      10. Musée zoologique, Musée d’histoire naturelle du Danemark, Université de Copenhague, Copenhague, Danemark

        • Sara B. Frederiksen
      11. Institut de météorologie et de recherche sur le climat, Recherche sur l’environnement atmosphérique, Institut de technologie de Karlsruhe, Garmisch-Partenkirchen, Allemagne

        • Friederike Gerschlauer
        • Adrian Gütlein
        • & Ralf Kiese
      12. Commission tanzanienne pour la science et la technologie, Dar es Salaam, Tanzanie

        • William J. Kindeketa
      13. Centre d’écologie et de recherche environnementale de Bayreuth, Université de Bayreuth, Bayreuth, Allemagne

        • Anna Kühnel
        • Et Bernd Huwe
      14. Chaire de science des sols, Université technique de Munich, Freising, Allemagne

        • Anna Kühnel
      15. Parc national du mont Kilimanjaro, Marangu, Tanzanie

        • Ephraim Mwangomo
      16. Musée national de Tanzanie, Dar es Salaam, Tanzanie

        • Christine Ngereza
      17. Collège africain de gestion de la faune, Mweka, Tanzanie

        • Henry K. Njovu
        • & Hamadi I. Dulle
      18. Institut of Biologie et sciences de l’environnement, Université Oldenburg, Oldenburg, Allemagne h4>
        • David Schellenberger Costa ​​li>
        • et Michael Kleyer li> ul> li>
        • Institut d’écologie et d’évolution, Université Friedrich Schiller d’Iéna, Iéna, Allemagne h4>
          • David Schellenberger Costa ​​li> ul> li>
          • Écologie végétale et recherche en écosystèmes, Université Georg-August de Göttingen, Göttingen, Allemagne h4>
            • Natalia Sierra-Cornejo li>
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                • Connal D. Eardley li> ul> li>
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                  • Kim M. Howell li> ul> li>
                  • Centre de biologie théorique et théorique, Université de Würzburg, Würzburg, Allemagne h4>
                    • Alexander Keller li> ul> li>
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                      • Alexander Keller li> ul> li>
                      • Département Arthropoda, Musée de la recherche zoologique Alexander Koenig, Bonn, Allemagne h4>
                        • Ralph S. Peters li>
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                          • Victor Kakengi li> ul> li>
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                                • Yakov Kuzyakov li> ul> li>
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                                      1. Recherchez Marcell K. Peters dans: h3> li>
                                      2. Recherchez Andreas Hemp dans: h3> li>

                                      3. Recherchez Tim Appelhans dans: h3> li>

                                      4. Recherchez Joscha N. Becker dans: h3> li >

                                      5. Recherchez Christina Behler dans: h3> li>

                                      6. Recherchez Alice Classen dans: h3 > li>

                                      7. Recherchez Florian Detsch dans: h3> li>

                                      8. Recherchez Andreas Ensslin dans : h3> li>

                                      9. Recherchez Stefan W. Ferger dans: h3> li>

                                      10. Rechercher Sara B. Frederiksen dans: h3> li>

                                      11. Recherchez Frieder ike Gebert in: h3> li>

                                      12. Recherchez Friederike Gerschlauer dans: h3> li>

                                      13. Recherchez Adrian Gütlein dans: h3> li>
                                      14. Recherchez Maria Helbig-Bonitz dans: h3> li>

                                      15. Recherchez Claudia Hemp dans: h3> li>

                                      16. Recherchez William J. Kindeketa dans: h3> li >

                                      17. Recherchez Anna Kühnel dans: h3> li>

                                      18. Recherchez Antonia V. Mayr dans: li>

                                      19. Recherchez Ephraim Mwangomo dans: h3> li>

                                      20. Recherchez Christine Télécharger dans: h3> li>

                                      21. Rechercher Henry K. Njovu dans: h3> li>

                                      22. Recherchez Insa Otte dans: h3> li>

                                      23. Recherchez Holger Pabst dans: h3> li>

                                      24. Recherchez Marion Renner dans: h3> li>

                                      25. Recherchez Juliane Röder dans: h3> li>

                                      26. Recherchez Gemma Rutten dans: h3> li>

                                      27. Recherchez David Schellenberger Costa dans: h3> li>

                                      28. Recherchez Natalia Sierra-Cornejo dans: h3> li>

                                      29. Recherche de Maximilian GR Vollstädt in: h3> li>

                                      30. Recherchez Hamadi I. Dulle dans: h3> li>

                                      31. Recherchez Connal D. Eardley dans: h3> li>

                                      32. Recherchez Kim M. Howell dans: h3> li>.

                                      33. Recherchez Alexander Keller dans: h3> li>

                                      34. Recherchez Ralph S. Peters dans: h3> li>

                                      35. Recherchez Axel Ssymank dans: h3> li>

                                      36. Recherchez Victor Kakengi dans: h3> li>

                                      37. Recherchez Jie Zhang dans: h3> li>

                                      38. Christina Bogner dans: h3> li>

                                      39. Recherchez Katrin Böhning-Gaese dans: h3> li>

                                      40. Recherchez Roland Brandl dans: h3> li>

                                      41. Recherchez Dietrich Hertel dans: h3> li>

                                      42. Recherchez Bernd Huwe dans: h3> li>

                                      43. Recherchez Ralf Kiese dans: h3> li >

                                      44. Recherchez Michael Kleyer dans: h3> li>

                                      45. Recherchez Yakov Kuzyakov dans: h3> li>

                                        Recherchez Thomas Nauss dans: h3> li>

                                    • Recherchez Matthias Schleuning dans: h3>

                                    • Recherchez Marco Tschapka dans: h3> li>

                                    • Recherchez Markus Fischer dans: li>

                                    • Recherchez Ingolf Steffan-Dewenter dans: h3> li> ol> div>

                                      Contributions h3>

                                    IS-D., AH et MF conçu le concept de recherche écologique sur le mont Kilimandjaro. M.K.P., A.H., C. Bogner, K.B.-G., D.H., R.B., B.H., R.K., M.K., Y.K., T.N., M.S., M.T., M.F. et I.S.-D. collecte de données conceptualisée et supervisée. A.H. sites d’étude établis. M.K.P. et I.S.-D. conçu l’étude. MKP, AH, TA, JNB, C. Behler, AC, FD, AE, SBF, SWF, F. Gebert, F. Gerschlauer, AG, MH-B., CH, WJK, A. Kühnel, AVM, EM, CN , HKN, IO, HP, MR, JR, GR, ASN, NS-C. et M.G.R.V. données collectées. C.D.E., R.S.P. et comme. identifié de grandes quantités de spécimens. A.H., C.H., H.I.D., K.M.H., V.K. et J.Z. logistique et infrastructure organisées et maintenues. A. Keller a traité des données sur les micro-organismes. M.K.P. traité et analysé les données et rédigé le manuscrit avec la contribution de I.S.-D. Tous les auteurs ont contribué à la version finale du manuscrit. P>               

                                    Intérêts concurrents h3>               

                                    Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts. p>             

                                    Auteur correspondant h3>

                                    Correspondance à                  Marcell K. Peters . p> div> div> section>

                                    Etendue figures et tableaux de données h2>
                                    1. Données étendues Fig. 1 Distribution et caractéristiques des sites d’étude. h3>

                                      a b>, b b>, Cinq des sites d’étude identiques ont été sélectionnés pour chacun des six principaux types d’habitat naturel (cercles) et des six principaux types d’habitat anthropique (carré, losange et triangle) situés sur le mont Kilimanjaro. Les cinq sites d’étude de chaque type d’habitat ont été répartis de manière à obtenir un gradient d’élévation à petite échelle au sein de l’habitat. # Sites d’étude, nombre de sites d’étude par type d’habitat. P> li>

                                    2. Données étendues Fig. 2 Effets de l’utilisation des terres sur la composition des communautés de plantes, d’animaux et de micro-organismes. h3>

                                      a b> – c b>, Influence de l’intensité de l’utilisation des terres sur l’évolution globale des communautés d’espèces dans les écosystèmes anthropiques par rapport aux prévisions pour les communautés d’espèces dans les écosystèmes naturels (modèle linéaire, pour tous les taxons P i> n i> = 60 sites d’étude pour toutes les analyses. d b> – f b>, chez les végétaux et les animaux, l’intensité de l’utilisation des terres a eu des effets plus importants sur les taux de roulement dans les basses terres arides (ANOVA sur les résidus des modèles présentés dans b> – c b>, P i> = 0,052) et en altitude (ANOVA, P i> n i> = 60 sites d’étude pour toutes les analyses. g b>, calcul des variables de réponse dans a b> – f b>. Trois communautés d’animaux comprenant chacune quatre espèces (montrées dans des couleurs différentes), qui se chevauchent en partie, sont représentées. Une augmentation du MAP est associée à une augmentation de 25% de la dissimilitude ( d i>) des communautés d’espèces i et ii dans les habitats naturels ( d i> i – ii sous>). La Communauté iii est située dans des habitats anthropiques. Étant donné que les communautés ii et iii vivent dans la même zone climatique, un modèle basé uniquement sur des variables climatiques permet de prévoir la même composition pour chaque communauté d’espèces. Cependant, la communauté iii montre une différence entre 0,5 et la communauté ii (en rouge). Dans a b> – c b>, nous avons analysé dans quelle mesure LUI pouvait expliquer la différence entre ces prévisions climatiques et la composition observée des communautés d’espèces (c’est-à-dire d i> ii – iii sub> réalisé dans l’espace de calcul des ordonnances de redimensionnement multidimensionnel non métrique). p> li>

                                    3. Données supplémentaires Fig. 3 Effet du climat sur les fonctions des écosystèmes le long du gradient d’élévation de l’habitat naturel. h3>

                                      Pour les fonctions écosystémiques médiées par le sol et les plantes, les valeurs absolues de la force d’effet sont plus élevées en moyenne pour le MAP, alors que les fonctions écosystémiques médiatisées par les animaux sont plus fortement influencées par le MAT (modèle à effets mixtes fonction de l’écosystème × type de variable climatique), n i> = 30 sites d’étude, P i> 3 . FSE, fonction de l’écosystème. P> li>

                                    4. Données étendues Fig. 4 Analyses de l’appui aux modèles de climat et d’utilisation des sols basés sur différents indices d’utilisation des sols. h3>

                                      Pour chaque variable de réponse, 500 indices différents d’utilisation des sols ont été calculés par pondération aléatoire des quatre composantes de l’IOL (pourcentage d’élimination de la biomasse, intrants agricoles, modification de la structure de la végétation et pourcentage de l’agriculture dans le paysage environnant) entre 0 et 1. Pour chacun des indices d’utilisation du sol calculés, nous avons calculé le soutien (modèle poids) pour les cinq principaux types de modèles (modèle nul, modèle climatique, modèle d’utilisation des sols, modèle additif climat modèle d’utilisation des sols, modèle interactif climat × modèle d’utilisation des sols) et a déterminé les intervalles de confiance moyen et à 90% sur les 500 passages . Dans la majorité des exécutions avec des composantes d’utilisation des sols pondérées différemment, nous avons constaté un soutien similaire pour les cinq types de modèle différents (comme pour l’IUD d’origine). Le modèle d’interaction climat × utilisation des sols était le type de modèle le mieux pris en charge pour toutes les variables de réponse et différents indicateurs d’utilisation des sols. P> li>

                                    5. Données supplémentaires Fig. 5 Effets du climat et de l’utilisation des terres sur l’indice multivarié de la multifonctionnalité. h3>

                                      Dissimilarité de la multifonctionnalité des écosystèmes entre les sites d’étude (points) dans les habitats naturels (rouge) et anthropiques (orange). La position dans l’espace d’ordination illustre les caractéristiques fonctionnelles des sites en relation avec d’autres sites; les sites plus proches les uns des autres ont une multifonctionnalité d’écosystèmes plus similaire. Les lignes en arrière-plan montrent les courbes de niveau d’élévation. P> li>

                                    6. Données étendues Fig. 6 Variation moyenne de la fonction de l’écosystème en fonction de l’intensité d’utilisation des sols pour les fonctions de l’écosystème induites par le sol, les plantes et les animaux. h3>

                                      a b> – c b>, le changement moyen dans la fonction de l’écosystème (comparé aux prévisions pour les habitats naturels, log-transformé) a augmenté linéairement avec l’intensité d’utilisation des terres (modèle linéaire, P i> a b>), végétales ( b b>) et animales ( c b>). n i> = 50 sites d’étude. d b> – f b>, l’effet (l’intensité) de l’intensité de l’utilisation des terres sur le changement moyen du fonctionnement des écosystèmes (barres grises) était, en moyenne, le plus élevé pour un écosystème à médiation végétale les fonctions. Les effets de l’intensité d’utilisation des terres différaient considérablement d’une zone d’altitude à l’autre dans les fonctions écosystémiques à médiation végétale et animale (modèle linéaire, P i> interaction sub> n i> = 50 sites d’étude. p> li>

                                    7. Données étendues Tableau 1 Liste des indicateurs des fonctions de l’écosystème mesurés dans l’étude figcaption> figure> div> li>
                                    8. Tableau de données étendu 2 Effets du climat et de l’utilisation des sols sur la biodiversité et les fonctions écosystémiques b > figcaption> figure> div> li>
                                    9. Tableau de données étendues 3 Effet du climat sur les fonctions de l’écosystème le long du gradient d’élévation de l’habitat naturel b > figcaption> figure> div> li>
                                    10. Données étendues Tableau 4 Effets du climat et de l’utilisation des terres sur l’indice multivarié de la multifonctionnalité b> figcaption> figure> div> li> ol> div> div> section>

                                      Informations supplémentaires h2>
                                      1. Informations supplémentaires h3>

                                        Ce fichier contient des tableaux supplémentaires 1-5, des figures supplémentaires 1–3, Note complémentaire 1 et Références supplémentaires. P> li>

                                      2. Rapport de rapport h3> h> ol> div> div> section>