Spatial insights for management and conservation of ecosystem services and biodiversity for a sustainable future

Abstract

Compreender como os padrões e processos da paisagem afetam a biodiversidade e os serviços ecossistêmicos (ES) – benefícios que as pessoas recebem da natureza – é fundamental para prever suas respostas às mudanças no uso da terra. Para avançar na pesquisa, desenvolver e fornecer informações espaciais apropriadas para as tomadas de decisão, utilizei modelagem e proposições teóricas para expandir o conhecimento sobre serviços ecossistêmicos, biodiversidade e o papel desempenhado pelos seres humanos na conservação da paisagem e seu manejo sustentável. No capítulo 1, considerando a teoria atual e as lacunas de conhecimento acerca de ES, eu propus um framework para entender melhor os efeitos da estrutura da paisagem no fluxo de ES, um dos componentes da cadeia de provisão de ES. Com base na literatura, discuti os efeitos da composição e configuração da paisagem nos fluxos de ES, de acordo com seus mecanismos. Enfatizei a necessidade de caracterizar a oferta, o fluxo e a demanda de cada ES, a fim de quantificar e abordar completamente os aspectos espaciais da provisão de ES. No Capítulo 2, identifiquei hotspots de biodiversidade usando Modelos de Distribuição de Espécies (SDM) baseados em clima e paisagem para indicar áreas prioritárias para conservação e aquelas ameaçadas por mudanças rápidas no uso da terra, impulsionadas pelo desmatamento e expansão agrícola. Os hotspots de biodiversidade representam as áreas com potencial para hospedar várias espécies-chave e, portanto, estas são regiões-chave para serem protegidas. A seleção das espécies e a interpretação dos resultados dos modelos foram realizadas para o Maranhão (um estado brasileiro), enquanto a coleta e modelagem dos dados foram realizadas para um limite ecológico mais amplo. Indiquei as áreas com maior sobreposição de hotspots de espécies e não abrangidas pelas áreas protegidas existentes como prioritárias para ações de conservação. Reconheci a necessidade urgente de monitorar áreas com expansão agrícola. Por fim, concluí a tese com uma síntese das principais contribuições, recomendações para futuras pesquisas e uma reflexão sobre as lições aprendidas durante o desenvolvimento do meu doutorado.

Understanding how landscape patterns and processes affect biodiversity and ecosystem services (ES) – the benefits people receive from nature – is fundamental to predict their responses to land use change. To advance research, develop, and deliver appropriate spatial information for decision-making, I used models and theory to expand the knowledge about ecosystem services, biodiversity and the role played by humans in landscape conservation and sustainable management. In Chapter 1, taking into account the current theory and knowledge gaps related to ES, I proposed a framework to better understand the effects of landscape structure on the flow component of the ES supply chain. Based in the literature, I discussed the effects of landscape composition and configuration in the ES flows, according to their mechanisms. I emphasized the need to characterize the supply, flow and demand of each ES in order to quantify and thoroughly address the spatial aspects of ES provision. In Chapter 2, I identified biodiversity hotspots using climate- and landscape-based Species Distribution Models (SDM) to indicate priority areas for conservation and those areas threatened by fast land use change driven by deforestation and agriculture expansion. Biodiversity hotspots allowed the recognition of areas with the potential to host several key species and, therefore, those are key regions to be protected. The selection of species and the interpretation of model outputs were conducted for Maranhão, a state in Brazil, while data collection and modelling itself were carried out for a broader ecological boundary. I indicated the priority areas to be conserved as those with higher overlap of species hotspots and not encompassed by existing protected areas. I recognize urgent need to monitor areas with agriculture expansion. Lastly, I concluded the thesis with a synthesis of the main contributions, recommendations for further research and a reflection on the lessons learned during the development of my PhD.

Comprender cómo los patrones y procesos del paisaje afectan la biodiversidad y los servicios del ecosistema (ES) – los beneficios que las personas reciben de la naturaleza – es fundamental para predecir sus respuestas al cambio en el uso de la tierra. Para avanzar en la investigación, desarrollar y entregar información espacial apropiada para la toma de decisiones, utilicé modelos y teoría para expandir el conocimiento sobre los ES, la biodiversidad y el papel que juegan los humanos en la conservación del paisaje y su gestión sostenible. En el Capítulo 1, teniendo en cuenta la teoría actual y las brechas de conocimiento relacionadas con los ES, propuse un marco para comprender mejor los efectos de la estructura del paisaje en el componente de flujo de la cadena de provisión de ES. Con base en la literatura, discutí los efectos de la composición y configuración del paisaje en los flujos de ES, de acuerdo con sus mecanismos. Destaqué la necesidad de caracterizar la oferta, el flujo y la demanda de cada ES para cuantificar y abordar a fondo los aspectos espaciales de la provisión de ES. En el Capítulo 2, identifiqué los puntos críticos de biodiversidad utilizando los modelos de distribución de especies (SDM) basados en el clima y el paisaje para indicar áreas prioritarias para la conservación y aquellas áreas amenazadas por el cambio rápido del uso de la tierra impulsado por la deforestación y la expansión de la agricultura. Los puntos críticos de biodiversidad permitieron reconocer las áreas con el potencial de albergar varias especies clave y, por lo tanto, las regiones clave a proteger. La selección de especies y la interpretación de los resultados del modelo se realizaron para el estado brasileño de Maranhão, mientras que la recolección de datos y el modelado en sí se llevaron a cabo para un límite ecológico más amplio. Indiqué las áreas prioritarias a ser conservadas como aquellas con mayor superposición de puntos críticos de especies y no abarcadas por áreas protegidas existentes. Reconocí la necesidad urgente de monitorear áreas con expansión agrícola. Finalmente, concluí la tesis con una síntesis de las principales contribuciones, recomendaciones para futuras investigaciones y una reflexión sobre las lecciones aprendidas durante el desarrollo de mi doctorado.