Impacto Humano nos Biomas Terrestres-Reestruturação da Biosfera

Os humanos há muito se distinguem o utras espécies moldando a forma do ecossistema e p rocesso usando ferramentas e tecnologias como fogo Estão além da capacidade de outros organismos Smith 2007 Esta habilidade excepcional para a engenharia do ecossistema t em ajudado a sustentar uma população humana sem precedentes c rescimento ao longo do último meio século q ue os seres humanos agora consomem cerca de um terço de todos os Produção primária líquida NPP Vitousek et al 1986 Imhoff et ai 2004 e mover mais terra e produzir Nitrogênio mais reativo do que todos os outros p rocessos combinados Galloway 2005 Wilkinson e McElroy 2007 Os seres humanos também estão causando extinções globais Novacek e Cleland 2001 e mudanças no clima q ue são comparáveis a qualquer observado na Registro Ruddiman 2003 IPCC 2007 Claramente Homo Sapiens surgiu como uma força da natureza que rivaliza com as forças geológicas na formação da biosfera terrestre e seus processos Os biomas são as unidades mais básicas que os ecologistas d escrever os padrões globais de forma processo b iodiversidade Historicamente os biomas foram identificados e mapeadas com base em diferenças gerais na vegetação t ipo associado a variações regionais do clima Udvardy 1975 Matthews 1983 Prentice et a l 1992 Olson et ai 2001 Bailey 2004 Agora isso h umanos reestruturaram a biosfera terrestre para a gricultura silvicultura e outros usos padrões globais de c omposição e abundância de espécies produtividade primária h idrologia da superfície terrestre bem como a biogeoquímica c iclos de carbono nitrogênio e fósforo têm s ubstancialmente alterada Matson et al 1997 Vitousek et ai 1997 Foley et ai 2005 De fato recentes e studos indicam que ecossistemas dominados pelo H omem a gora cobrem mais da superfície terrestre da Terra do que selvagens e cossistemas McCloskey e Spalding 1989 Vitousek Et ai 1997 Sanderson et ai 2002 Mittermeier et al 2003 Foley et ai 2005 É portanto surpreendente que as descrições b ioma ou ignoram completamente a influência humana o u descrevêlo usando no máximo quatro ecossistemas antropogênicos c lasses urbanas construídas terras de cultivo e uma ou duas terras de m osaico s de vegetação s istemas de classificação i ncluem o IGBP Loveland et al 2000 Olson Biomes Olson et ai 2001 GLC 2000 Bartholome e Belward 2005 E GLOBCOVER Defourny et al 2006 Aqui a presentamos uma visão alternativa da biosfera terrestre Baseado em uma análise empírica de padrões globais de Interação humana direta com os ecossistemas u m mapa global de biomas antrópicos Nós então a nalisar o potencial dos biomas antropogénicos para c omo um novo quadro global para a ecologia h ipóteses testáveis que podem avançar em pesquisa educação e conservação da biosfera terrestre uma vez que e xiste hoje o produto da remodelação intensiva por Interações com humanos Interacções humanas com os ecossistemas As interações humanas com os ecossistemas são inerentemente d inâmica e complexa Folke et al 1996 DeFries et al 2004 Rindfuss et ai 2004 q ualquer categorização destes u ma simplificação grosseira Contudo há pouca esperança de c ompreensão e modelagem dessas interações e scala mundial sem essa simplificação Mais global m odelos de produtividade primária diversidade de espécies e c lima depende da estratificação da superfície terrestre u m número limitado de tipos funcionais a cobertura terrestre t ipos biomas ou classes de vegetação Haxeltine e Prentice 1996 Thomas et ai 2004 Feddema et ai 2005 As interacções humanas com os ecossistemas variam i mpactos relativamente leves de bandas móveis de caçadorescoletores A substituição completa de ecossistemas pré existentes c om estruturas construídas Smil 1991 Densidade populacional é um indicador útil da forma e intensidade destes Interagências uma vez que as populações crescentes c onsiderada uma causa e uma conseqüência do ecossistema m odificação para produzir alimentos e outras necessidades Boserup 1965 1981 Smil 1991 Netting 1993 De fato f ormas históricas mais básicas de interação homemecossistema Estão associados a grandes diferenças na população d ensidade incluindo forrageamento 1 pessoa km2 deslocamento 10 pessoas km2 e cultivo contínuo 100 p essoas km2 Populações mais densas do que 2500 pessoas Km2 são acreditados como insustentáveis por subsistência tradicional Agricultura Smil 1991 Netting 1993 Nas últimas décadas a agricultura industrial e as t ransporte criaram novas formas de ecossistema humano i nteração entre toda a gama de densidades populacionais d esde desenvolvimentos exurbanos de baixa densidade até c onurbações que combinam cidades de alta densidade s ubúrbios agricultura e até áreas arborizadas Smil 1991 Qadeer 2000 Theobald 2004 No entanto a população d ensidade populacional pode ainda servir como indicador f orma e intensidade das interações homemecossistema d entro de um local específico especialmente quando as populações p or uma ordem de magnitude ou mais Essas grandes diferenças n a densidade populacional ajudam a distinguir situações q ue os seres humanos podem ser considerados meramente agentes do ecossistema t ransformação engenheiros de ecossistemas de situações e m que as populações humanas têm crescido denso s uficiente para que seu consumo de recursos locais e p rodução de um componente substancial de produtos biogeoquímicos c iclos e outros processos ecossistêmicos Começar Nossa análise classificamos portanto os Interações em quatro classes com base em diferenças n a densidade populacional alta densidade populacional denso 100 pessoas km2 intensidade populacional substancial Residencial 10 a 100 pessoas km2 população menor Povoado 1 a 10 pessoas km2 e inconsequente p opulação remoto 1 pessoa km2 Classe populacional n omes são definidos apenas no contexto deste estudo Identificar biomas antropogênicos uma abordagem empírica Foram identificados e mapeados os biomas antropogênicos o procedimento empírico em várias etapas detalhado WebPanel 1 e descritos abaixo com base em dados globais para p opulação urbana nãourbana uso da terra percentagem p astagens lavouras irrigação arroz terra urbana e cobertura da terra Área percentual de árvores e terra nua Dados para NPP IGBP c obertura da terra e os biomas Olson foram obtidos para WebPanel 1 inclui referências para todos os dados fontes A análise do bioma foi conduzida a 5 minutos de arco r esolução 5 células de grade cobrem 86 km2 no equador uma r esolução espacial selecionada como a mais fina que permite o uso direto e stimativas da área de uso da terra de alta qualidade Primeiro antropogênico a s células 5 foram separadas de células selvagens com base n a presença de populações humanas culturas ou pastagens As células antropogénicas foram então estratificadas na população c lasses de densidade acima descritas densa residencial Populado e remoto com base na densidade de s ua população nãourbana Em seguida usamos análise de cluster u m procedimento estatístico destinado a identificar uma n úmero de agrupamentos naturais distintos clusters dentro de um Usando SPSS 1501 para identificar grupos naturais d entro das células de cada classe de densidade populacional e d entro da classe selvagem com base na população nãourbana d ensidade e porcentagem área urbana pastagem culturas irrigado a rroz árvores e terra desencapada Finalmente os estratos derivados a cima foram descritos rotulados e organizados em a grupamentos lógicos com base em suas populações e características de cobertura do solo e sua distribuição regional p roduzindo as 18 classes de biomas antropogênicos e t rês classes de biomas silvestres ilustradas na Figura 1 e Descritas na Tabela 1 As WebTables 1 e 2 fornecem mais Estatísticas detalhadas WebPanel 2 fornece mapas visíveis Dos 64 bilhões de habitantes humanos da Terra 40 d enso assentamentos biomas 82 da população urbana 40 v ivem em aldeias biomas 38 urbanas 15 vivem em terra cultivada Biomas 7 urbanos e 5 vivem em biomas de pastagens 5 urbanos os biomas florestados tinham 06 da população global Figura 2a Embora a maioria das pessoas viva em assentamentos densos e aldeias estas cobrem apenas 7 dos c erca de 60 desta população é urbana vivendo em a s cidades e cidades incorporadas dentro desses biomas q ue também incluem quase todas as terras que classificamos c omo urbano 94 de 05 milhão de km2 e mbora este seja Provavelmente uma substancial subestimação Salvatore et ai 2005 Figura 2a Os biomas das aldeias representando densas populações agrícolas f oram de longe a mais extensa das populações densamente Biomas abrangendo 77 milhões de km2 comparado com 15 milhão de km2 para os biomas dos assentamentos urbanos e densos Além disso os biomas das aldeias abrigam cerca de p opulação mundial não urbana 16 de 32 bilhões de pessoas Embora cerca de um terço da área urbana i ncorporados dentro desses biomas as áreas urbanas representaram a penas 2 da sua extensão total enquanto que as terras e pastagem em média 60 de sua área Mais que 39 dos biomas densamente povoados estavam localizados na Ásia q ue também incorporou mais de 60 da á rea global global ainda que esta região tenha sido a q uinto maior de sete regiões Figura 1 WebTable 3 Os biomas das aldeias eram mais comuns na Ásia onde m ais de um quarto de toda a terra A África foi a segunda c om 13 de área de bioma de aldeia embora a penas 6 da terra africana O uso mais intensivo de t ambém estavam desproporcionadamente localizadas na aldeia Biomas incluindo cerca de metade da superfície irrigada do 14 de 27 milhões de km2 e dois terços das terras globais do arroz 11 milhões de km2 Figura 2a Após os pastagens os biomas de m ais extenso dos biomas antropogênicos abrangendo Cerca de 20 da terra livre de gelo da Terra Longe de ser simples p aisagens cobertas pelas colheitas os biomas de m osaicos de terra cultivada misturada com árvores e pastagens Figura 3c Como resultado os biomas de u m pouco mais da metade do total da cobertura mundial Área 8 de 15 milhões de km2 c om hospedagem de biomas de aldeia q uase um quarto e biomas de pastagens cerca de 16 Os biocombustíveis também incluíram 17 do Terra juntamente com um quarto da cobertura global da u m terço do NPP terrestre Mais abundante na África e Ásia mosaico residencial de sequeiro foi de longe o Bioma de lavoura extensivo e o segundo mais abundante b ioma em geral 167 milhões de km2 o ferecendo um lar c erca de 600 milhões de pessoas 4 milhões de km2 de c erca de 20 da cobertura arbórea do mundo e NPP uma d o que todo o bioma de florestas selvagens Os biomas de pastagens foram os mais extensos q uase um terço das terras globais sem gelo e incorporando 73 do pasto global 28 milhões de km 2 m as estes foram p rincipalmente em regiões áridas e de baixa produtividade Com uma elevada percentagem de cobertura nua cerca de 50 Figura 3c Como resultado os pas tagens 15 da NPP terrestre 6 da cobertura global da árvore e 5 da Pop p lação mundial Os biomas florestais cobriam uma área similar à Biomas 25 milhões de km2 versus 27 milhões de km2 para as terras cultivadas m as incorporou uma área muito maior coberta de árvores 45 versus 25 de sua área global É portanto surpreendente q ue o NPP total dos biomas florestais foi q uase igual ao dos biomas de terras cultivadas 164 versus 160 bilhões de toneladas por ano Isso pode ser explicado m enor produtividade do f lorestas que predominam em Biomas florestados enquanto que os Biomas foram localizados em a lguns dos mais produtivos do mundo c limas e solos Wildlands sem evidência de o cupação humana ou uso da terra o cupava apenas 22 do gelo livre da Terra e sta análise Em geral e stes estavam localizados no r egiões menos produtivas do mundo Mais de dois terços dos s ua área ocorreu em áreas estéreis e r egiões cobertas por árvores escassas Como u m resultado embora as terras c erca de 20 de cobertura por f lorestas selvagens uma mistura de espécies a s florestas tropicais Figura 2c áreas selvagens c omo um todo contribuíram a penas cerca de 11 do total de NPP Nosso mapa bioma contra imagens de satélite de alta resolução WebPanel 2 que os biomas antropogênicos são melhor caracterizados c omo mosaicos de paisagem heterogêneos combinando v ariedade de diferentes usos da terra e cobertura de terra Áreas urbanas e stão inseridos em áreas agrícolas as árvores são intercaladas c om terras cultivadas e moradias e vegetação manejada e misturado com vegetação seminatural por exemplo e stão inseridos em pastagens e florestas Embora alguns d esta heterogeneidade pode ser explicada pela r esolução grosseira da nossa análise sugerimos uma e xplicação que as interações diretas entre humanos e e cossistemas geralmente ocorrem dentro de uma paisagem heterogênea m osaicos Pickett e Cadenasso 1995 Diário de 1999 Além disso propomos que essa heterogeneidade tenha três c ausas duas das quais são antropogênicas e todas são f ractal na natureza Levin 1992 produzindo padrões semelhantes e scalas espaciais que vão desde as explorações de terras da s famílias à padronização global da população antropogênica biomas Nós levantamos a hipótese de que mesmo na região mais densamente povoada b iomecânica a maior parte da heterogeneidade da paisagem é v ariação natural no terreno hidrologia solos perturbação r egimes por exemplo incêndio e clima conforme descrito por m odelos de ecossistemas e da biosfera terrestre Por exemplo Levin 1992 Haxeltine e Prentice 1996 Olson et al Al 2001 Aumento antropogénico de h eterogeneidade da paisagem natural representa u ma causa secundária de heterogeneidade b iomas antropogênicos explicado em parte p ela tendência humana de procurar e p rimeiro as terras mais produtivas e t rabalhar e povoar essas terras de forma mais intensiva Huston 1993 Em uma escala global e ste processo pode explicar por que as terras m ais comuns naquelas partes da biosfera c om o menor potencial para a agricultura Ie regiões polares montanhas baixa fertilidade Solos tropicais Figura 1 e por que em um d ada a porcentagem de cobertura de árvores NPP a parece maior nos biomas antropogênicos c om maiores densidades populacionais comparar NPP com cobertura de árvores especialmente f lorestas versus biomas florestados Figura 3c Pode também explicar por que a maioria das populações humanas u rbanas e rurais parecem estar a ssociada à agricultura intensiva irrigada c olheitas arroz e não com pastagem f lorestas ou outros usos menos intensivos da terra Figura 3c Finalmente esta hipótese explica p or que a maioria dos vales férteis e planícies c limas favoráveis já estão em uso como t errenos agrícolas enquanto que os montes a s montanhas são muitas vezes ilhas de seminatural Vegetação deixada praticamente sem p opulações locais Huston 1993 1999 A terceira causa da heterogeneidade da paisagem e m biomas antropogênicos é inteiramente a nthropogenic os seres humanos criam a paisagem h eterogeneidade diretamente como exemplificado pela c onstrução de assentamentos e transporte s istemas em padrões impulsionados tanto c ultural como por restrições ambientais Pickett e Cadenasso 1995 Todos esses três fatores de heterogeneidade i nteragem sem dúvida na padronização Biosfera terrestre mas a sua p apéis em escalas globais ainda não foram estudados e certamente merecem mais investigação c onsiderando os impactos da fragmentação da paisagem s obre a biodiversidade Vitousek et al 1997 Sanderson et ai 2002 Um modelo conceitual para Biomas antropogênicos Dado que os biomas antropogênicos m osaicos misturas de assentamentos agricultura f lorestas e outros usos da terra e c oberturas como proceder para uma c ompreensão ecológica do ecossistema humano i nterações dentro e entre Biomas antropogênicos Antes de desenvolver u m conjunto de hipóteses e uma estratégia para testálas r esumir nossa compreensão atual de como essas interações p adrões de ecossistemas terrestres a um nível global u sando uma equação simples p rocessos de ecossistemas f densidade populacional u so biota clima terreno geologia Aqueles familiarizados com os ecossistemas convencionais m odelos reconhecerão que a nossa é meramente uma expansão a gregando densidade populacional humana e uso da terra como p arâmetros para explicar os padrões globais de p rocessos e suas mudanças Com alguma modificação m odelos convencionais de uso do solo e ecossistema d evem por conseguinte ser capazes de modelar m udanças dentro e através dos biomas antropogênicos Turner Et ai 1995 DeFries et ai 2004 Foley et ai 2005 Nós i ncluir a densidade populacional como um condutor separado da p rocessos com base no princípio de que o aumento da população d ensidade populacional pode aumentar a intensidade do Boserup 1965 1981 e também pode aumentar a c ontribuição dos seres humanos para os processos ecossistêmicos c onsumo de recursos combustão excreção Imhoff et a l 2004 Por exemplo sob o mesmo c ondições nosso modelo prevê uma maior adubação e i nsumos de água para terras agrícolas em áreas com maior d ensidades juntamente com maiores emissões a combustão de biomassa e combustíveis fósseis Algumas hipóteses e seus testes Com base em nosso modelo conceitual de biomas antropogênicos p ropomos algumas hipóteses básicas sobre sua utilidade c omo um modelo da biosfera terrestre Primeiro a hipótese q ue os biomas antropogênicos diferirão substancialmente t ermos dos processos básicos dos ecossistemas por exemplo PNP emissões de carbono a zoto reactivo Figura 3b e biodiversidade total n ativo quando medido em cada bioma no campo e q ue essas diferenças serão pelo menos tão grandes quanto as e ntre os biomas convencionais quando observados e quivalentes à mesma escala espacial Além disso nós h ipótese de que essas diferenças serão impulsionadas por diferenças n a densidade populacional e uso da terra entre os biomas Figura 3a uma tendência já evidente na generalidade t endência para aumentar a área cultivada irrigação e p rodução de arroz com aumento da densidade populacional 3c Finalmente a hipótese de que o grau de o s biomas antropogênicos explicam os padrões globais de Biodiversidade aumentarão com o passar do tempo t andem com aumentos futuros previstos da influência humana s obre os ecossistemas O teste dessas e de outras hipóteses aguarda d ados sobre as interacções homemecossistema o btidas por observações feitas dentro e através da u ma gama completa de paisagens antropogénicas Observações p aisagens antropogênicas capazes de resolver c aracterísticas de uso da terra de manejo individual e estruturas construídas s ão críticos porque esta é a escala em que h umanos interagem diretamente com os ecossistemas e é também e scala ideal para medições precisas de ecossistemas p arâmetros e seus controles Ellis et al 2006 Dado o esforço considerável envolvido na elaboração de m edições de sistemas ecológicos e humanos em p aisagens antropogênicas heterogêneas isso n ecessitam de desenvolvimento de amostras estratificadas estatisticamente p rojetos que podem apoiar o desenvolvimento e stimativas baseadas em amostras de paisagem relativamente pequenas d entro e entre os biomas antrópicos eg Ellis 2004 Isto por sua vez requererá dados globais melhorados especialmente p ara as populações humanas e práticas de uso da terra Felizmente o desenvolvimento desses conjuntos de dados p avimentar o caminho para um sistema de ecorregiões antropogênicas c apaz de atender às necessidades de monitoramento ecológico d as partes interessadas regionais e locais um papel m apeamento ecorregional convencional e classificação Olson et al 2001 Os sistemas de bioma convencionais são obsoletos Temos retratado a biosfera terrestre como composta de b iótopos antropogênicos que também poderiam ser Anthromes ou biomas humanos para distinguilos de Bioma convencional Isso levanta a questão são s istemas convencionais de bioma obsoletos A resposta é certamente não Embora tenhamos proposto um modelo básico de p rocessos ecológicos dentro e entre os biomas antropogênicos n osso modelo permanece conceitual enquanto modelos existentes d os biomas terrestres com base no clima no terreno e na geologia s ão plenamente operacionais e são úteis para prever a f uturo da biosfera em resposta às mudanças climáticas Melillo et al 1993 Cox et al 2000 Cramer et al 2001 Por outro lado os biomas antropogênicos estão em u ma descrição mais precisa dos amplos padrões ecológicos d entro da atual biosfera terrestre do que os convencionais b ioma que descrevem padrões de vegetação c om base nas variações climáticas e geológicas É raro encontrar e xtensas áreas de qualquer das formas básicas de vegetação r epresentados em modelos de biomas convencionais fora das áreas n ós definimos como biomes selvagens Isso ocorre porque a maioria dos ecossistemas naturais do mundo estão inseridos em a lterada pelo uso da terra e pelas populações humanas q uando se visualiza a distribuição dos biomas IGBP e Olson d entro dos biomas antropogênicos Figura 2b c Ecologistas vão para casa Os biomas antropogénicos apontam para uma necessidade n a ciência ecológica e na educação especialmente no a mericanos Começando com a primeira menção da ecologia n a escola a biosfera tem sido desde há muito c ompostos por biomas naturais perpetuando uma v isão do mundo como ecossistemas naturais com seres humanos p erturbandoos Embora esse modelo tenha sido d esafiados por ecologistas Od Alterando proporcionalmente as áreas menos afetadas h umanos diretamente terras polares e áridas IPCC 2007 1 A gestão sustentável dos ecossistemas deve ser d esenvolvimento e manutenção de i nterações entre sistemas gerenciados e naturais p orque evitar essas interações não é mais uma prática DeFries et al 2004 Foley et al 2005 A maioria i mportante ainda que ainda em estágio inicial de desenvolvimento o s biomas antropogênicos oferecem uma estrutura para h umanos diretamente nos modelos de ecossistemas globais q ue é urgentemente necessário e ainda não está disponível Carpenter et al 2006 Ecologistas têm sido conhecidos há muito tempo como os cientistas que v iajar para terras desabitadas para fazer seu trabalho Como um resultado n ossa compreensão dos ecossistemas antropogênicos permanece p obres em comparação com a rica literatura sobre natural e cossistemas Embora muitos esforços recentes tenham i ntegrando os seres humanos na pesquisa ecológica Pickett et al 2001 Rindfuss et ai 2004 WebPanel 3 inclui mais c itações e o suporte para isso está cada vez mais disponível d a National Science Foundation dos Estados Unidos wwwnsfgov Programas HERO CNH HSD os ecologistas podem e d eve fazer mais para voltar para casa e trabalhar onde mais h umanos vivem Construindo ciência ecológica e educação s obre uma base de biomas antropogênicos ajudará cientistas s ociedade assumem a propriedade de uma biosfera j á se alteraram irreversivelmente e nos move m elhor forma de gerir os recursos antropogênicos b iosfera em que vivemos Conclusões A influência humana na biosfera terrestre está agora difundida Enquanto o clima e a geologia moldaram os ecossistemas ea evolução no passado nosso trabalho contribui para o crescente corpo de evidências demonstrando que as f orças podem agora superálas em quase toda a s uperfície da terra hoje Para o previsível f uturo o destino dos ecossistemas terrestres e as espécies e les estarão entrelaçados com sistemas humanos a maior parte da natureza está agora inserida em m osaicos de uso da terra e cobertura da terra Embora não pretendido p ara substituir sistemas de bioma existentes baseados em clima terreno g eologia esperamos que a ampla disponibilidade de b ioma antropogênico incentivará um sistema de interacções entre o ser humano e o ecossistema através da b iosfera e que isso por sua vez guiará nossa i nvestigação compreensão e gestão de processos ecossistêmicos e suas mudanças a nível global e e scalas regionais