Трансграничная субсидия - Cross-boundary subsidy

Северный лес Аляски в национальном заповеднике дикой природы Юкон

Трансграничные субсидии вызваны организмами или материалами, которые пересекают или пересекают среду обитания пластырь границы, дотация резидента население. Перенесенные организмы и материалы могут предоставить дополнительных хищников, добычу или питательные вещества для местных видов, что может повлиять на сообщество и пищевой сети структура. Трансграничное субсидирование материалов и организмов происходит в ландшафтах, состоящих из участков среды обитания разных типов, и поэтому зависит от характеристик этих участков и границ между ними. Изменение ландшафта человеком, прежде всего через фрагментация, может изменить важные трансграничные субсидии на все более изолированные участки среды обитания. Понимание того, как процессы, происходящие за пределами участков обитания, могут влиять на популяции внутри них, может иметь важное значение для управления средой обитания.

Внедрение и развитие концепции

Концепция трансграничных субсидий возникла в результате объединения идей, полученных в результате исследований ландшафтная экология и пищевой сети экология. Идеи ландшафтной экологии позволяют изучать динамику населения, сообществ и пищевой сети, чтобы включить пространственные отношения между элементами ландшафта в понимание такой динамики (Polis et al. 1997).

Янзен (1986) впервые определил трансграничные субсидии как процесс, посредством которого организмы, которые расселяются с одного участка на другой, воздействуют на местные организмы, предоставляя увеличенные пищевые ресурсы или возможности для воспроизводства, таким образом, служа субсидией для жителей. В соответствии с этим определением учитывается только трансграничное перемещение организмов, но более широкие определения трансграничных субсидий могут также включать такие материалы, как питательные вещества и детрит (например, Марбург и др., 2006 г., Фаселли и Пикетт, 1991 г.).

Трансграничные субсидии - это часть более общего процесса территориальных субсидий (см. Polis et al. 1997). Трансграничные субсидии признают наличие и роль границы между различными участками среды обитания в посредничестве потоков организмов и материалов. Напротив, пространственные субсидии требуют только того, чтобы внешние источники материалов и организмов происходили из-за пределов интересующего участка.

Концептуальные модели

Было сделано несколько попыток совместить пейзаж и пищевой сети экология таким образом, чтобы недвусмысленно признавать важность трансграничных субсидий и пространственных особенностей ландшафта для динамики трофической сети. Часто пространственные субсидии рассматриваются как субсидии, которые просто поступают извне интересующего участка, не обращая внимания на ландшафтные модели и процессы, которые могут повлиять на движение этих ресурсов, такие как характеристики границ и связность участков. Polis et al. (1997) опубликовали подробный обзор динамики пространственно субсидируемой пищевой сети, сосредоточив внимание на влиянии субсидий на население. сообщество, потребительские ресурсы и динамика пищевой сети. Один из основных выводов заключался в том, что субсидирование видов-потребителей (организмов, которые питаются другими организмами для получения энергии) привело к сокращению пищевых ресурсов на участке-получателе. Каллавей и Хастингс (Callaway and Hastings, 2002) построили вывод Полиса и др. С помощью модели, показывающей, что субсидируемые потребители не всегда могут уменьшить ресурс в патче-получателе, если потребители часто переходят между патчами. Это может происходить из-за того, что потребители часто переезжают по причинам, не связанным с приобретением пищевых ресурсов.

Cadenasso et al. (2003) разработали основу для изучения экологических границ, которая имеет значение для понимания динамики конкретных трансграничных субсидий. Граница определяется как зона самого крутого градиента изменения некоторых характеристик от одного участка к другому, например, быстрое уменьшение уровня освещенности при переходе среды обитания от поля к лесу. В этой структуре потоки через изменчивые ландшафты характеризуются типом потока (материалы, энергия, организмы и т. Д.), Контрастом участков (архитектура, композиция, процесс) и граничной структурой (архитектура, композиция, символические и перцептивные особенности). Рассмотрение трансграничной субсидии с точки зрения этой структуры показывает, как сама граница может служить посредником для субсидии. Например, Каденассо и Пикетт (2001) обнаружили, что уменьшение боковой растительности на границе между лесом и полем увеличивает количество семян, переносимых внутрь леса.

Другая концептуальная модель, которая конкретно рассматривает трансграничные субсидии, - это модель, разработанная Rand et al. (2006) распространения хищных насекомых из сельского хозяйства на участки диких земель. Край проницаем для насекомых, которые являются универсальными средами обитания и, следовательно, способны легко пересекать границу между земледелием и участками диких земель, тогда как он считается непроницаемым для насекомых, которые специализируются на конкретном типе участков и не могут пересечь границу. В этой модели краевая проницаемость (специалисты по среде обитания против универсалов), заплатка продуктивность и дополнительное использование ресурсов (использование ресурсов, полученных как в сельском хозяйстве, так и на участках диких земель) определяют ожидаемое воздействие трансграничных субсидий со стороны хищных насекомых (рис. 1).

Рисунок 1. Концептуальная модель трансграничного субсидирования насекомых-хищников с сельскохозяйственных угодий на прилегающие участки диких земель. а. Специализация среды обитания, граница является жестким препятствием для хищников, так что они не распространяются на участки диких земель. б. Различия в продуктивность, повышенная продуктивность сельскохозяйственных угодий позволяет обычным насекомым-хищникам рассредоточиться на участках диких земель с низкой продуктивностью. Это пример направленного положительного фронта. c. Дополнительное использование ресурсов, численность насекомых-хищников наиболее высока около края, потому что им нужны ресурсы, присутствующие в обоих участках. Это пример положительного обратного фронта. Позаимствовано из Rand et al. 2006 г.

Отношение к избранным экологическим концепциям

Ландшафтная экология

В контексте ландшафтной экологии пространственная субсидия - это ресурс, опосредованный донором (питательные вещества, детрит, добыча), который передается из одной среды обитания реципиенту (потребителю) во второй среде обитания. В результате продуктивность реципиента увеличивается (Polis et al., 1997). Например, медведь ест лосося и получает ресурсы, которые прошли через морскую среду, через границу среды обитания в наземную среду.

Динамика стока источника

Идея субсидирования материалов или организмов через границу участка, затрагивающего постоянное население, имеет явные параллели с динамика источника-стока (Фаган и др., 1999). Согласно этой теории, местные популяции связаны рассредоточением, и вымирание местных популяций можно предотвратить за счет иммиграции из соседних участков (Pulliam 1988). В динамике источника-поглотителя предполагается, что особи из более продуктивных участков переместятся в менее продуктивные участки с неустойчивыми популяциями (Pulliam 1988). Многие примеры трансграничных субсидий можно рассматривать как демонстрирующие динамику источник-поглотитель. Rand et al. (2006) обнаружили, что насекомые на высокопродуктивном сельскохозяйственном участке были способны поддерживать местное население на менее продуктивном участке диких земель за счет постоянного расселения с сельскохозяйственного участка. Влияние этих субсидий на местные участки также может повлиять на популяции других видов в реципиенте. пищевой сети потому что субсидируемое население может конкурировать с другими видами или охотиться на них более эффективно, чем они были бы в состоянии без такого притока (Fagan et al. 1999).

Биотические взаимодействия и трофическая структура

Трансграничные субсидии оказывают важное влияние на взаимодействие видов и динамику пищевой сети. Субсидии на материалы и организмы могут прямо или косвенно влиять на все трофические или пищевые уровни пищевых сетей. Входы питательных веществ и детрит из другого участка обычно увеличивают прирост населения резидентов-производителей (растений) и детритофаги (Полис и др., 1997). Повышенный рост на уровне производителей может привести к восходящему трофическому эффекту, при котором увеличивается население ниже трофические уровни поддерживать большее количество потребителей, чем это было бы возможно в закрытой системе (Polis et al. 1997). аллохтонный поступление обломков также может иметь сильное влияние на динамику трофической сети в различных временных масштабах, от секунд до тысячелетий, как в случае ископаемое топливо образование из-за накопления детрита в течение тысячелетий (Мур и др., 2004).

Крупный древесный мусор

Многие пищевые сети полагаются на трансграничные субсидии детрита в качестве источников энергии и питательных веществ (Huxel and McCann 1998). Например, ряд озер в Висконсине были исследованы на наличие Крупный древесный мусор (CWD) и характеристики окружающего ландшафта, которые могут контролировать его поступление в озера. Крупные древесные остатки в этих озерах важны для обеспечения среды обитания и кормовых ресурсов для различных организмов, включая мелкую рыбу (Werner and Hall 1988), водоросли и детритофаги (Bowen et al. 1998). Марбург и др. (2006) сравнили вариации в пределах и между озерами в CWD. Они обнаружили, что субсидии УХО для озер были меньше, когда берега озер обеспечивали развитие человека. Развитие вдоль берега озера можно рассматривать как изменение характеристик участка границы между озером и лесом. В этом случае застройка снизила как плотность леса, которая является источником УХО, так и проницаемость границы для потоков УХО (Марбург и др., 2006).

Хищная добыча

Помимо эффектов снизу вверх, эффекты сверху вниз могут также возникать из-за трансграничных субсидий. При нисходящем эффекте субсидии потребителей на верхнем уровне пищевой сети контролируют популяции на более низких уровнях в большей степени, чем можно было бы ожидать только от действий потребителей-резидентов (Polis et al. 1997). Потребители, пересекающие границы, могут иметь большее влияние на популяцию участка-реципиента, если жертва на участке-реципиенте имеет более низкий темп роста популяции, чем жертва на участке-источнике (Fagan et al. 1999, Rand et al. 2006). Таким образом, трансграничные субсидии могут изменить взаимодействие хищник-жертва / конкуренция, что может привести к непропорциональному воздействию на сообщества на участке-получателе.

Трофический каскад

При субсидировании верхних трофических уровней эффекты могут также ощущаться на всех нижних трофических уровнях в явлении, известном как трофический каскад. Пример трофического каскада, который также действует как трансграничная субсидия, проиллюстрирован в исследовании Knight et al. (2005), в котором изменения трофической структуры одной экосистемы привели к эффекту, который каскадно распространился на соседнюю экосистему. В прудах, содержащих рыбу, количество личинок стрекоз было сведено к минимуму из-за хищничества рыб. В результате низкая плотность взрослых хищников-стрекоз привела к высокой плотности пчел-опылителей. При наличии рыбы в соседних прудах пчелы смогли опылить больше цветов в соседней горной экосистеме, чем когда рыба отсутствовала. Популяцию стрекоз можно рассматривать как субсидируемую из-за отсутствия хищничества рыб. Затем эта субсидия была переведена через границу пруда и возвышенности движением взрослых стрекоз, чтобы повлиять на взаимодействие между пчелами-опылителями и растениями.

Каскад субсидий

Местные виды, которые питаются ресурсами, которые не происходят в их среде обитания. Это может увеличить их локальную численность, тем самым затронув другие виды в экосистеме. Например, Лускин и другие. (2017) обнаружили, что местные животные, живущие в защищенных первичных тропических лесах Малайзии, нашли пищевые субсидии в соседних пальмовое масло плантации.[1] Эта субсидия позволила увеличить популяции местных животных, что затем вызвало мощное вторичное «каскадное» воздействие на сообщества лесных деревьев. В частности, дикий кабан (Sus scrofa ) построили тысячи гнезд из подлеска лесной растительности, что привело к снижению плотности молодых деревьев на 62% за 24-летний период исследования. Такие трансграничные каскады субсидий могут быть широко распространены как в наземных, так и в морских экосистемах и создавать серьезные проблемы для сохранения.

Человеческая деятельность, влияющая на трансграничные субсидии

сельское хозяйство

Местные виды, которые кормятся на сельскохозяйственных угодьях, могут увеличивать свою локальную численность, тем самым влияя на прилегающие экосистемы в пределах своего ландшафта. Например, Luskin et al (2017) использовали экологические данные за два десятилетия из защищенного первичного тропического леса в Малайзии, чтобы проиллюстрировать, как субсидии с соседних плантаций масличных пальм вызвали мощное вторичное «каскадное» воздействие на естественные места обитания, расположенные на расстоянии> 1,3 км.[2] Они обнаружили, что (i) плоды масличной пальмы вызвали 100-кратное увеличение количества набегов местного дикого кабана (Sus scrofa), (ii) кабан использовал тысячи подлесных растений для строительства гнезд в нетронутом лесу и (iii) Строительство гнезд привело к снижению плотности молодых деревьев на 62% за 24-летний период исследования. Долгосрочные непрямые воздействия сельского хозяйства в масштабе ландшафта предполагают, что его полный экологический след может быть больше, чем это считается в настоящее время. Каскады трансграничных субсидий могут широко распространяться как в наземных, так и в морских экосистемах и создавать серьезные проблемы для сохранения.

Фрагментация

Поскольку ландшафты становятся все более и более фрагментированными из-за деятельности человека, влияние границ участков на отдельные участки становится относительно более важным (Murcia 1995). фрагментация может как сократить необходимые субсидии для участков, так и увеличить размер субсидий из соседних участков. Например, при исследовании фрагментации диких земель в ландшафте с преобладанием сельскохозяйственных угодий субсидии насекомых, специализирующихся на среде обитания, на участки диких земель предотвращались путем окружения небольших участков диких земель негостеприимными сельскохозяйственными угодьями. Эта изоляция уменьшила возможность поток генов и длительная стойкость населения. Субсидии других насекомых, которые специализировались на сельскохозяйственных культурах, были увеличены для диких земель. население, увеличивая их влияние на обитающие в дикой природе виды (Duelli 1990).

Изменение характеристик участка и границ

Изменение внутренней структуры и состава заплатки может существенно изменить трансграничные субсидии. логирование может временно увеличить дотации питательных веществ и детрита в соседние реки (Likens et al. 1970). Инвазивные виды внесение в сельскохозяйственные угодья может действовать как субсидия для соседних инвазивных популяций диких земель, предотвращая акклиматизацию местных видов даже в пределах охраняемой территории (Janzen 1983).

Морские системы

Изменение характеристик участков, связанных с человеком, может также сократить трансграничные субсидии, такие как перелов в морских системах, что может резко сократить потенциально важные морские субсидии организмов пресноводным и прибрежным системам (Zhang et al. 2003). Например, Хелфилд и Найман (2002) обнаружили, что прибрежные деревья в Аляска получают 24-26% своего азота из морских источников, переносимых мигрирующими лосось. В этой системе лосось которые питаются в океане, включая морской азот в свою биомассу, позже возвращаются в свои родные небольшие ручьи, где нерестятся и умирают. Лосось туши, перенесенные через границу между ручьем и прибрежной зоной наземными хищниками или наводнениями, субсидировали рост наземных растений. Таким образом, чрезмерный вылов рыбы в море может повлиять на продуктивность лесов Аляски, которая зависит от субсидирования азота морского происхождения.

Как обсуждалось выше, трансграничные субсидии зависят от характеристик границы участка. Изменения этих характеристик, вызванные деятельностью человека, могут повлиять на проницаемость границ для определенных организмов или материалов. Например, трансграничная субсидия на опад листвы из леса в прилегающее открытое поле может быть уменьшена на границе, если дорога присутствует, что делает границу менее проницаемой для потоков опада (Facelli and Pickett 1991).

Значение для менеджмента и будущих потребностей в исследованиях

Управление средой обитания может выиграть от признания влияния, которое люди могут оказывать как на отдельные участки, так и на динамику между участками. В таких случаях менеджерам может потребоваться сосредоточиться на закономерностях и процессах, которые происходят за пределами области их интересов, поскольку эти факторы также могут быть важны для внутренних динамика населения. Понимание граничных особенностей, которые влияют на различные потоки интересов, необходимо для управления этими потоками.

Инвазивные виды

Последствия инвазивные виды и использование биологический контроль агенты также могут быть тесно связаны с идеей трансграничных субсидий. Внесение видов в один патч для биоконтроль может иметь непредвиденные последствия для динамики соседних участков.

Другие области, такие как государственная политика, также могут выиграть от рассмотрения трансграничных субсидий. Например, правительства часто предоставляют финансовые субсидии к рыболовство, которые оказывают негативное влияние на эти экосистемы, способствуя перелову (Munro and Sumaila 2002). Понимание того, какие процессы влияют на то, как эти финансовые ресурсы проходят через границу между государством и отраслью, важно для поддержания морского пищевые полотна. Рассмотрение трансграничных эффектов будет иметь важное значение для полного понимания потенциальных последствий человеческой деятельности для ландшафта.

Рекомендации

  • Айзен, М. А. и П. Файнзингер. 1994. Фрагментация, опыление и размножение растений в сухом лесу Чако, Аргентина. Экология 75: 330-351.
  • Белисл, М., А. Дескрочер и М. Фортин. 2001. Влияние лесного покрова на передвижения лесных птиц: самонаводящийся эксперимент. Экология 82: 1893-1904.
  • Бен-Дэвид, Х., Т. А. Хэнли, Д. М. Шелл. 1998. Удобрение наземной растительности нерестом тихоокеанского лосося: роль наводнений и активности хищников. Ойкос 83: 47-55.
  • Боуэн, К. Л., Н. К. Кошик, А. М. Гордон. 1998. Сообщества макробеспозвоночных и биопленка хлорофилла на древесных остатках двух канадских олиготрофных озер. Архив для гидробиологии 141: 257-281.
  • Каденассо, М. Л. и С. Т. А. Пикетт. 2001. Влияние структуры опушек на поток пород в недра леса. Биология сохранения 15: 91-97.
  • Каденассо, М. Л., С. Т. А. Пикетт, К. К. Уэзерс и К. Г. Джонс. 2003. Основа теории экологических границ. BioScience 53: 750-758.
  • Каллавей, Д. С. и А. Гастингс. 2002. Движение потребителей через субсидируемые среды обитания создает пространственную пищевую сеть с неожиданными результатами. Письма по экологии 5: 329-332.
  • Duelli, P. 1990. Передвижение членистоногих между естественными и возделываемыми территориями. Биологическая охрана 54: 193-207.
  • Фаселли, Дж. М. и С. Т. А. Пикетт. 1991. Подстилка: ее динамика и влияние на структуру растительного сообщества. Ботанический обзор 57: 1-32.
  • Фэган, У. Ф., Р. С. Кантрелл и К. Коснер. 1999. Как границы среды обитания меняют взаимодействие видов. Американский натуралист 153: 165-182.
  • Фриланд, Дж. А., Дж. Л. Ричардсон и Л. А. Фосс. 1999. Почвенные индикаторы сельскохозяйственных воздействий на водно-болотные угодья северных прерий: Исследовательский район озера Коттонвуд, Северная Дакота, США. Водно-болотные угодья 19: 56-64.
  • Helfield, J. A. и R. J. Naiman. 2001. Влияние азота, полученного из лосося, на рост прибрежных лесов и последствия для продуктивности ручьев. Экология 82: 2403-2409.
  • Хелфилд, Дж. М. и Р. Дж. Найман. 2002 г. Лосось и ольха как источники азота для прибрежных лесов в северном водоразделе Аляски. Oecologia 133: 573-582.
  • Хаксель, Г. Р. и К. С. Макканн. 1998. Стабильность трофической сети: влияние трофических потоков через среды обитания. Американский натуралист из Мидленда 152: 460-469.
  • Янцен, Д. Х. 1983. Ни один парк не является островом: усиление вмешательства извне по мере уменьшения размера парка. Ойкос 41: 402-410.
  • Янзен, Д. Х. 1986. Вечная внешняя угроза. Страницы 286-303 в М. Э. Соуле, редакторе. Биология сохранения: наука о редкости и разнообразии. Синауэр, Сандерленд, Массачусетс.
  • Найт, Т. М., М. В. Маккой, Дж. М. Чейз, К. А. Маккой, Р. Д. Холт. 2005. Трофические каскады экосистем. Природа 437: 880-883.
  • Ликенс, Г. Э., Ф. Х. Борман, Н. М. Джонсон, Д. В. Фишер, Р. С. Пирс. 1970. Влияние рубок леса и обработки гербицидами на баланс питательных веществ в экосистеме водораздела ручья Хаббард. Экологические монографии 40: 23-47.
  • Марбург, А. Э., М. Г. Тернер и Т. К. Кратц. 2006. Естественная и антропогенная изменчивость грубой древесины между озерами и внутри них. Журнал экологии 94: 558-568.
  • Мур, Дж. К., Э. Л. Берлоу, Д. К. Коулман, П. К. де Руйтер, К. Донг, А. Гастингс, Н. К. Джонсон, К. С. Макканн, К. Мелвилл, П. Дж. Морин, К. Надельхоффер, А. Д. Розмонд, Д. М. Пост, Дж. Л. Сабо, К. М. Скоу, М. Дж. Ванни, Д. Х. Уолл. 2004. Детрит, трофическая динамика и биоразнообразие. Письма по экологии 7: 584-600.
  • Манро, Г. и У. Р. Сумаила. 2002. Влияние субсидий на управление рыболовством и его устойчивость: пример Северной Атлантики. Рыба и рыболовство 3: 233-250.
  • Мурсия, C. 1995. Краевые эффекты в фрагментированных лесах: последствия для сохранения. Тенденции в экологии и эволюции 10: 58-62.
  • Polis, G. A. и S. D. Hurd. 1996. Соединение морских и наземных пищевых цепей: аллохтонные поступления из океана поддерживают высокую вторичную продуктивность на малых островах и прибрежных землях. Американский натуралист 147: 396-423.
  • Polis, G. A., W. B. Anderson и R. D. Holt. 1997. На пути к интеграции ландшафтной экологии и экологии пищевых сетей: динамика пространственно субсидируемых пищевых сетей. Ежегодный обзор экологии и систематики 28: 289-316.
  • Пуллиам, Х. Р. 1988. Источники, поглотители и регулирование численности населения. Американский натуралист 132: 652-661.
  • Рэнд, Т.А., Дж. М. Тилианакис, Т. Чарнтке. 2006. Побочные эффекты: распространение естественных врагов насекомых, получающих субсидии в сельском хозяйстве, в соседние естественные места обитания. Письма по экологии 9: 603-614.
  • Тернер, М. Г. 2005. Ландшафтная экология: каково состояние науки? Ежегодный обзор экологии и систематики 36: 319-344.
  • Вернер, Э. Э. и Д. Дж. Холл. 1988. Онтогенные изменения среды обитания голубого жабра: скорость добычи корма - компромисс между риском хищничества. Экология 69: 1352-1366.
  • Чжан Ю., Дж. Н. Негиши, Дж. С. Ричардсон и Р. Колодзейчик. 2003. Воздействие морских питательных веществ на функционирование экосистемы водотока. Труды Лондонского королевского общества B 270: 2117-2123.
  1. ^ Лускин, Мэтью (2017). «Каскады трансграничных субсидий от масличных пальм разрушают далекие тропические леса». Nature Communications. 8 (9): 2231. Bibcode:2017НатКо ... 8.2231L. Дои:10.1038 / s41467-017-01920-7. ЧВК  5738359. PMID  29263381.
  2. ^ Лускин, Мэтью (2017). «Каскады трансграничных субсидий от масличных пальм разрушают далекие тропические леса». Nature Communications. 8 (8): 2231. Bibcode:2017НатКо ... 8.2231L. Дои:10.1038 / s41467-017-01920-7. ЧВК  5738359. PMID  29263381.