Climate gradient in bird-mediated ecosystem services in oak agroforests

Eça, Pedro Luís Machado Almeida de

http://hdl.handle.net/10400.5/97043

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Authors

Eça, Pedro Luís Machado Almeida de

Advisor(s)

Vaz, Pedro Jorge Gonçalves

Abstract(s)

A biodiversidade enfrenta crescentes pressões de múltiplas origens. Compreender como as comunidades biológicas respondem às mudanças ambientais é essencial para que se atinjam metas de conservação e sustentabilidade. Tradicionalmente, os estudos ecológicos incluem aspetos taxonómicos da biodiversidade, mas a ecologia funcional tem emergido como uma abordagem complementar. Esta veio permitir estudar como grupos funcionais respondem a pressões ambientais e como isso afeta a provisão de serviços de ecossistema, como a dispersão de sementes ou o controlo natural de pragas. Estes serviços desempenham um papel crucial na manutenção da biodiversidade, mas também na produtividade de muitos ecossistemas. Os ecossistemas agroflorestais, nomeadamente os dominados por árvores do género Quercus, são paisagens multifuncionais que integram a silvicultura, a agricultura e, frequentemente, a produção pecuária, proporcionando serviços essenciais ao Homem. Nestes ecossistemas, os serviços prestados pelas aves, como a dispersão de sementes e o controlo natural de pragas, desempenham um papel fundamental na manutenção da biodiversidade e, em última análise, no suporte da produtividade de culturas, pastagens, e gado. As aves, pelo seu comportamento, movimento, e características funcionais, influenciam a distribuição de sementes e regulam populações de pragas de invertebrados, contribuindo assim para a saúde ecológica desses sistemas. Não obstante, a prestação destes serviços encontra-se cada vez mais ameaçada pelas alterações climáticas, as quais estão a alterar variáveis-chave como a variação sazonal da temperatura e da precipitação, bem como por alterações na estrutura do habitat de diversas espécies como resultado de práticas agrícolas e de pastoreio mais intensivos. Compreender como as comunidades de aves e os seus papéis funcionais respondem a variações tanto no clima como no habitat é essencial para desenvolver estratégias de gestão que possam sustentar os serviços de ecossistema nestas paisagens sob condições ambientais futuras. Este estudo visou investigar como a riqueza de espécies de aves e as suas características funcionais, ambas relacionadas com a prestação de serviços de ecossistema, responderiam a variações climáticas e de estrutura de habitat em explorações agroflorestais de quercíneas em Portugal continental. Utilizando uma abordagem ‘space-for-time’, procurámos perceber em particular como diferentes comunidades de aves dispersoras de sementes e potenciais controladoras de pragas reagiriam a variações sazonais de temperatura e de precipitação e à heterogeneidade da vegetação em termos de cobertura e estrutura vertical. Partimos da hipótese de que explorações com habitats mais heterogéneos e variações sazonais de temperatura e de precipitação menores suportariam comunidades com maior riqueza funcional e específica, onde os traços funcionais seriam menos divergentes e distribuídos de forma mais uniforme. O estudo foi conduzido em 16 explorações agroflorestais dominadas por Quercus, distribuídas por cinco zonas bioclimáticas de Portugal continental. As explorações foram selecionadas com base em diferentes gradientes de produtividade das pastagens e variáveis climáticas, representando um espectro das condições do país. A amostragem das comunidades de avifauna foi realizada entre maio e julho de 2023, utilizando métodos de contagem por pontos e transetos para maximizar a deteção das diferentes espécies. No total, foram registadas 89 espécies de aves, das quais 58 foram classificadas como controladoras de pragas e 31 como dispersoras de sementes. Algumas espécies desempenhavam ambas as funções. As características funcionais das espécies foram extraídas das bases de dados AVONET e EltonTraits, sendo selecionados 11 traços chave, incluindo traços morfológicos, de dieta, e de forrageamento. Estes traços foram usados para construir um espaço funcional para cada comunidade de aves, a partir do qual se calcularam as riquezas específica e funcional, e os índices funcionais de dispersão, divergência, e uniformidade de traços funcionais. Para avaliar efeitos climáticos nas explorações, foram extraídos dados de precipitação, temperatura, e respetivas variações sazonais a partir da base de dados de alta resolução CHELSA. Os habitats das explorações foram avaliados com dados de satélite do serviço de monitorização Copernicus e GEDI, dos quais se extraíram métricas de cobertura e complexidade vertical da vegetação. Os dados climáticos e de habitat foram então usados em modelos lineares mistos para avaliar como a riqueza de espécies e os índices funcionais responderiam a esses preditores. Estes modelos foram depois projetados para diferentes cenários climáticos futuros (SSP1-RCP2.6 e SSP5-RCP8.5) que simulam variações na temperatura e precipitação até ao final do século XXI. Os resultados indicam que o efeito da sazonalidade da temperatura foi significativo para aves dispersoras de sementes, aumentando a dispersão dos traços funcionais em explorações com maiores flutuações térmicas. Por outro lado, a estrutura do habitat foi um fator crucial para estas aves. A dispersão funcional foi menor em explorações com maior heterogeneidade vertical da vegetação e as explorações com copas mais altas tenderam a ter aves com características funcionais menos divergentes. Igualmente, a distribuição dos traços funcionais das aves dispersoras de sementes foi mais uniforme em explorações com maior cobertura de arbustos e árvores de folha perene do que em explorações com mais vegetação herbácea anual. No caso das aves controladoras de pragas, a sazonalidade da precipitação foi o principal fator que influenciou tanto a riqueza de espécies quanto a riqueza funcional. Nas explorações onde a precipitação é mais variável ao longo do ano, tanto o número de espécies como a variedade de traços funcionais foram menores, indicando que este serviço de regulação é particularmente vulnerável a mudanças climáticas. Em termos de projeções futuras, o cenário climático mais severo (SSP5-RCP8.5) indica que estas tendências se intensificarão. Ao longo do tempo, prevemos declínios na riqueza específica e funcional das aves controladoras de pragas, bem como comunidades de aves dispersoras de sementes com características funcionais cada vez mais dispersas e menos uniformemente distribuídas. Assim, os resultados deste estudo indicam que os dois serviços de ecossistema mediados por aves respondem de maneira distinta. Os serviços de dispersão de sementes são fundamentalmente afetados pela estrutura do habitat, embora o sejam também pela sazonalidade da temperatura no caso da dispersão funcional dos traços. Em geral, habitats com estruturas verticais mais complexas promoveram comunidades de aves com traços mais uniformes relacionados com a dispersão de sementes. Já para as aves potencialmente controladoras de pragas, as variáveis climáticas, em particular a sazonalidade da precipitação, foi claramente o preditor fulcral, afetando negativamente o número de espécies e o número de características funcionais ligadas ao serviço. Estes resultadossublinham a necessidade de abordagens de gestão que combinem a promoção da complexidade do habitat com medidas de adaptação climática, de modo a salvaguardar os serviços de ecossistema mediados por aves. Alguns estudos anteriores haviam tentado explorar relações entre a diversidade funcional da avifauna e a provisão de serviços de ecossistema, mas os padrões observados haviam variado entre estudos e regiões. Por exemplo, alguns trabalhos em regiões semiáridas mostraram que a aridez influencia a composição funcional das comunidades, mas os mecanismos dessas interações ainda precisam de ser esclarecidos. A variação entre estudos pode ser explicada por fatores como diferenças nos contextos ecológicos e geográficos, variáveis não controladas, e abordagens metodológicas distintas, nomeadamente na construção dos espaços funcionais. A estes trabalhos anteriores, o nosso estudo vem acrescentar pistas importantes sobre como o clima e a estrutura do habitat moldam as funções ecológicas desempenhadas pelas aves em sistemas agroflorestais de quercíneas da maior relevância, como o montado, e como essas funções podem mudar sob diferentes cenários climáticos futuros. Em conclusão, este estudo revela que os efeitos das variáveis climáticas e da estrutura do habitat são fundamentais para a manutenção dos serviços de ecossistema mediados por aves em agroflorestas dominadas por Quercus spp. Nós sugerimos que, enquanto a dispersão de sementes depende mais da complexidade do habitat, o controlo de pragas é particularmente sensível à variação climática, especialmente à sazonalidade da precipitação. Sob cenários climáticos futuros, é espectável que as tendências que encontrámos se intensifiquem, com impactes negativos previsíveis, em particular nos serviços de regulação levados a cabo por aves potencialmente controladoras de pragas. Para garantir a continuidade desses serviços de ecossistema, serão necessárias estratégias de gestão adaptativa que promovam a resiliência climática e aumentem a complexidade estrutural dos habitats. A preservação e restauro ecológico das pastagens com quercíneas, bem como a mitigação dos efeitos das mudanças climáticas, são fundamentais para garantir a sustentabilidade a longo prazo desses sistemas únicos e dos serviços de ecossistema que eles proporcionam.

Bird-mediated ecosystem services, such as seed dispersal and pest control, are crucial for maintaining biodiversity and agricultural productivity in Quercus-dominated agroforestry systems. This study investigates how bird species richness and functional traits, both linked to these ecosystem services, respond to climate and habitat variability across agroforestry farms in mainland Portugal. Using a spacefor-time approach, we sampled bird communities on 16 farms and assessed the influence of climatic factors, such as temperature and precipitation seasonality. We hypothesized that farms with more heterogeneous habitats in vegetation cover and vertical structure and less seasonal variability in temperature and precipitation would support communities with higher species and functional richness, where traits are more evenly distributed and less divergent. Our results show that seed-dispersing birds exhibit greater functional dispersion in farms with higher temperature seasonality, indicating a broader spread of functional traits. Additionally, increased vertical vegetation heterogeneity was associated with lower functional dispersion but greater functional evenness, suggesting that habitat complexity affects trait distribution within seed-dispersing bird communities. For pest-controlling birds, we found that increased precipitation seasonality significantly reduced both species and functional richness, highlighting the sensitivity of pest regulation services to climatic variability. Projections under future climate scenarios indicate that, under worst-case conditions, these trends will likely intensify. Seeddispersing birds are expected to show an increase in functional dispersion as temperature seasonality rises, while pest-controlling birds will face further declines in species and functional richness with greater rainfall variability. These findings underscore the need for adaptive management strategies that enhance habitat complexity and climate resilience to safeguard bird-mediated ecosystem services in agroforestry systems under changing climatic conditions.