The Impact of Global Climate Change on the Geographic Distribution and Sustainable Harvest of Hancornia speciosa Gomes (Apocynaceae) in Brazil


Download 0.87 Mb.
Pdf ko'rish
bet1/2
Sana09.01.2022
Hajmi0.87 Mb.
#265092
  1   2
Bog'liq
nabout2016



The Impact of Global Climate Change on the Geographic

Distribution and Sustainable Harvest of Hancornia speciosa

Gomes (Apocynaceae) in Brazil

Joa˜o Carlos Nabout

1



Mara Ru´bia Magalha˜es



1

Marcos Aure´lio de Amorim Gomes



1

He´lida Ferreira da Cunha



1

Received: 15 April 2014 / Accepted: 8 January 2016

Ó Springer Science+Business Media New York 2016

Abstract


The global Climate change may affect biodi-

versity and the functioning of ecosystems by changing the

appropriate locations for the development and establish-

ment of the species. The Hancornia speciosa, popularly

called Mangaba, is a plant species that has potential

commercial value and contributes to rural economic

activities in Brazil. The aim of this study was to evaluate

the impact of global climate change on the potential geo-

graphic distribution, productivity, and value of production

of H. speciosa in Brazil. We used MaxEnt to estimate the

potential geographic distribution of the species in current

and future (2050) climate scenarios. We obtained the

productivity and value of production for 74 municipalities

in Brazil. Moreover, to explain the variation the produc-

tivity and value of production, we constructed 15 models

based on four variables: two ecological (ecological niche

model and the presence of Unity of conservation) and two

socio-economic (gross domestic product and human

developed index). The models were selected using Akaike

Information Criteria. Our results suggest that municipali-

ties currently harvesting H. speciosa will have lower har-

vest rates in the future (mainly in northeastern Brazil). The

best model to explain the productivity was ecological niche

model; thus, municipalities with higher productivity are

inserted in regions with higher environmental suitability

(indicated by niche model). Thus, in the future, the

municipalities harvesting H. speciosa will produce less

because there will be less suitable habitat for H. speciosa,

which in turn will affect the H. speciosa harvest and the

local economy.

Keywords

Ecological niche model

 MaxEnt  Cerrado 

Caatinga


 Mangaba

Introduction

The study of global climate change has gained great noto-

riety in both the academic and non-academic communities

by means of mass communication, although it is not a recent

topic in the scientific community (Parmesan

2009

; Nabout


et al.

2012


). This interest is justified by numerous studies that

have evaluated the impact of global climate change on the

geographic distribution of species (Diniz-Filho et al.

2010


;

Nabout et al.

2009

) and conservation biology. In addition to



investigating the effect of global climate change on the dis-

tribution of species, recent studies have discussed the impact

of climate change on humanity by examining the effects on

the spread of disease (Lafferty

2009

) and on agriculture and



food security (Lopes et al.

2011


; Assad et al.

2010


).

The impacts of climate change on species, such as chan-

ges in the geographic distribution or the biological charac-

teristics (such as intensity of fruiting and flowering, among

others), can directly affect human populations. Several

native species of plants and animals are used as sustainable

harvest contributing to the maintenance of biodiversity and

household economic activity (e.g., Lima et al.

2013

). Many


academic studies have evaluated the impact of climate

change on biological characteristics and the geographic

distribution of species (Elith and Leathwick

2009


), but few

studies have investigated the effect of these changes in a

species for sustainable use and the magnitude of these

impacts on rural communities (e.g., Nabout et al.

2011

).

& Joa˜o Carlos Nabout



joao.nabout@ueg.br

1

Caˆmpus de Cieˆncias Exatas e Tecnolo´gicas – Henrique



Santillo (CCET), Universidade Estadual de Goia´s, BR-153,

n8 3.105, Ana´polis, GO CEP 75132-903, Brazil

123

Environmental Management



DOI 10.1007/s00267-016-0659-5


The harvesting of non-timber forest products is a prac-

tice that has gained great attention and support from gov-

ernment entities. This activity can assist in the maintenance

and conservation of biodiversity and contribute to rural

economic activities (Scherr and Mcneely

2007


; Shanley

et al.


2002

). In Brazil, laws such as the National System of

Conservation Units (SNUC, Lei 9.985/00), political

actions, and practical activities of local rural communities

have contributed to, albeit tentatively, the biological spe-

cies conservation in biomes. Tropical biomes, such as the

Cerrado, Caatinga, and Amazon, have species of native

plants that are used as a sustainable resource for rural

communities. These communities have commercially used

native plants for fruits, oils, soaps, and countless other

applications (Almeida et al.

1998


).

Hancornia speciosa Gomes (Apocynaceae), popularly

called Mangaba, is among several native species used by

rural population. The H. speciosa is a native fruit species of

Brazil that produces latex, whose distribution extends from

northeastern Brazil to Bolivia, covering the Cerrado and

Caatinga (Tavares

1964


; Lorenzi

1992


; Rizzini

1997


), and

represents social, economic, and cultural importance in the

areas where it occurs (Almeida et al.

1998


; Lima et al.

2013


).

The plant is an evergreen and semi-deciduous tree of med-

ium size with a height ranging from 2 to 15 (Monachino

1945


); it is slow-growing, with a large treetop of 4–5 meters

in diameter, and it is often more branched than tall.

Therefore, the aim of this study was to evaluate the

impact of global climate change on the potential geo-

graphic distribution, productivity, and value of production

of H. speciosa in Brazil. We specifically sought to (1)

investigate the productivity and value of production of H.

speciosa in Brazilian municipalities over the past 21 years,

(2) determine the current and future (to 2050) potential

geographic distribution of H. speciosa based on the eco-

logical niche model, (3) evaluate the influence of ecology

(actual environmental suitability and the presence of unity

of conservation) and socio-economic variables (gross

domestic product and human developed index) in produc-

tivity and value of production of H. speciosa; (4) relate the

change in geographical distributions of H. speciosa (dif-

ference among future and actual environmental suitability)

with actual productivity and value of production. For this,

we hope determining which municipalities will be affected

by change of the environmental suitability of H. speciosa.

Materials and Methods

Species


The species used in this paper was Hancornia speciosa, a

monotypic species belonging to the family Apocynaceae.

The species has a wide geographic distribution (Almeida

et al.


1998

) and occurs in areas of the Cerrado, coastal

tablelands, and coastal marshlands (Ferreira

1973


). The H.

speciosa is a semi-deciduous plant with open formations

and is common in sandy soils of low fertility (Lorenzi

1992


). It flowers from August to November, with a peak in

October (Almeida et al.

1998

). The climatic conditions for



the occurrence of H. speciosa are typically tropical with

high annual variation of precipitation (see Table

1

).

Productivity and Value of Production of H. speciosa



The productivity and value of production of H. speciosa by

Brazilian municipalities were obtained from the website of

the Instituto Brasileiro de Geografia e Estatı´stica (IBGE,

www.ibge.gov.br

) using the automatic retrieval system

(SIDRA) by searching ‘‘Extraction Plant.’’ The search

revealed 74 municipalities, and the average extraction and

value of production of H. speciosa over the past 21 years

were obtained for each municipality. The average extrac-

tion was standardized by the size of the municipality;

therefore, the unit of extraction was kg/km

2

. The unit of



value of production was Brazilian Real (divided by

thousand).

Ecological Data: Ecological Niche Model and Unity

of Conservation

For Ecological Niche Model (ENM) of H. speciosa, the

data of the occurrence were obtained from the literature

(articles, books, theses, and dissertations) and a database of

the Reference Center Environmental Information (CRIA;

http://www.cria.org.br/

). Altogether, 367 points of occur-

rence of H. speciosa were obtained, and these points were

used in the modeling of the potential geographic distribu-

tion (Fig.

1

). The data (geographic coordinates) of



municipalities that harvested H. speciosa were not included

to avoid problems in the circular analysis.

We used five climatic variables in the model: (1)

Isothermality (Worldclim classification—bio3); (2) Tem-

perature Seasonality (bio4); (3) Temperature Annual

Range (bio7); (4) Mean Temperature of Warmest Quarter

(bio10); and (5) Precipitation Seasonality (bio15). The

same variables were used for the future scenario, derived

from the global climate model CCCma (Canadian Centre

for Climate Modelling and Analysis), projected to a pes-

simistic scenario (A2a) (see Karl and Trenberth

2005


). The

climate scenarios (current and future) were obtained from

Worldclim (

www.worldclim.org

), with values projected to

the year 2050 for the future scenario (Hijmans et al.

2005

).

All climate variables were converted into a grid with



0.0417 degrees of resolution. We selected these variables

using the Jackknife criteria (considering all 19 climatic

Environmental Management

123



variables available in the Worldclim database) (see, for

example, Neme´sio et al.

2012

).

MaxEnt was used to analyze the ENM (Phillips et al.



2006

). The input parameters followed the program default

choices, except that iterations were set at 1000 and dupli-

cates were removed. We used the AUC (area under the

curve) to evaluate the model. The AUC values range from

0.5 to 1 (see Elith et al.

2006

).

For other ecological predictors, we obtained the



municipalities that produce H. speciosa have some kind of

Unity of Conservation (UC) according the National System

of Conservation Units (SNUC, Lei 9.985/00). Therefore,

for each municipality, we had a categorical information

(1 = has UC and 0 = not have UC). The UC information

was obtained from IBGE and ICMBIO sites (

http://www.

icmbio.gov.br

). Only eighth municipalities were classified

with the presence of UC.

Socio-economic Data

For each municipality, we obtained the following socio-

economics data: (1) Gross Domestic Product (GDP) per

capita (in real R$) and (2) Municipal Human Development

Index (HDI). We expect that HDI and GDP variables will

have a negative relationship with productivity and positive

with value of production (i.e., a higher production rate in

poorer municipality). We obtained the GDP data (year

2009) and Municipal HDI (year 2010) in the IBGE data-

base (


www.cidades.ibge.gov.br/

).

Data Analysis



We used the Akaike Information Criterion (AIC) to select the

best model (with set of variables) that explains the productivity

and value of production of H. speciosa in Brazilian munici-

palities. We used the following variables as predictors: Eco-

logical Niche Model (i.e., suitability to each municipality),

Unity of Conservation (dummy variable), Gross Domestic

Product Per Capita (GDP), and Municipal Human Develop-

ment Index (HDI). From the 15 generated models (i.e., linear

models with 15 different combinations of predictors), however,

we presented only the best models for productivity and value of

production (delta AIC \ 2; Burnham and Anderson,

2002


).

The AIC was performed in Spatial Analysis and Macroecology

(SAM V.4) software (Rangel et al.

2010


). To reduce the

dimensionality and normalize the data, all variables (except

Unity of Conservation) were log-transformed (LogX ? 1).

Results


The ENM of H. speciosa showed a satisfactory adjustment,

with an AUC of 0.97. In addition, for the current scenario,

a great portion of the Cerrado and Caatinga biomes shows

high habitat suitability (Fig.

2

a). However, in the future



climate change scenario, there is a large reduction in the

geographic distribution of the species. Many regions,

especially in the northeast, decreased in climate suitability

for this species (Fig.

2

b). Moreover, many municipalities



Fig. 1

Occurrence points used for ecological niche modeling of

Hancornia speciosa

Table 1


Descriptive statistics

of Actual and Future climate

variables used in this study to

project the distribution of H.

speciosa

Actual


Future

bio3


bio4

bio7


bio10

bio15


bio3

bio4


bio7

bio10


bio15

Average


69.93

125.72


15.47

24.79


70.49

67.85


132.48

15.65


26.35

73.65


Maximum

83.02


272.44

22.20


28.65

105.83


81.40

231.24


22.80

30.48


107.94

Minimum


61.83

43.03


8.50

20.25


19.67

55.08


42.98

9.20


21.60

25.80


SD

3.67


45.48

2.72


1.96

18.06


5.06

39.16


2.54

1.89


19.14

The variables were Isothermality (bio3), Temperature Seasonality (bio4), Temperature annual range (bio7),

Mean Temperature of Warmest Quarter (bio 10), and Precipitation Seasonality (bio15)

Environmental Management

123



that harvest H. speciosa will lose environmental suitability

in the future scenario.

The average productivity of all seventy-four munici-

palities analyzed was 25.26 kg/km

2

. The municipalities



with the highest productivity of H. speciosa were Baı´a da

Traic¸a˜o (339.46 kg/km

2

) and Marcac¸a˜o, both in Paraı´ba



(330.91 kg/km

2

), and the municipality Ichu (313.31 kg/



km

2

) in Bahia. In contrast, the municipality with the lowest



harvest of H. speciosa was Japoata˜ in Sergipe (0.001 kg/

km

2



). For value of production, the average was 11.37

thousand of Real (R$), and the Estaˆncia in Sergipe (214.89

thousand of Real), and Salvador in Bahia (0.05 thousand of

Real) were, respectively, municipalities with the highest

and lowest value of production of H. speciosa in Brazil.

The productivity and value of production were not corre-

lated (r = -0.015; P = 0.9), thus, municipalities with

more productivity will not have more value of production

(Fig.

3

).



After generating 15 models to explain the variation of

productivity and value of production of H. speciosa in

Brazilian municipalities, the AIC has listed the best three

models to explain productivity, and two to explain the

value of production. To productivity, the best model is

formed only by a single variable (ENM), in other words,

the ENM alone explains 15.7 % of the variation in pro-

ductivity between the municipalities (Table

2

); further-



more, the positive relationship with productivity (Table

3

)



indicates that municipalities with higher productivity are

inserted in regions with higher environmental suitability

(indicated by ENM). Regarding the value of production,

the best model is formed by the socio-economic variables

(GNP and HDI). These two variables explained 18 % of

the variation in value of production between municipalities

(Table

2

). These two variables were also important in



explaining the production value (Table

3

), however, have



opposed relations with the value of production. Munici-

palities with the highest value of production are those that

have higher GNP and lower HDI.

The difference between the environmental suitability

(future—actual) of H. speciosa can indicate the local

(municipalities) it will present loss or gain of suitability in

future scenarios. For producers’ municipalities, it is

observed that most of the municipalities present environ-

mental suitability loss in future scenarios of climate

change, affecting the productivity and value of production

of H. speciosa (Fig.

4

).



Discussion

In this study, we used ecological (ENM and UC) and socio-

economic (HDI and GNP) variables to predict the pro-

ductivity and value of production of H. speciosa in

Brazilian municipalities. The socio-economic variables

were import to explain the value of production, which

showed the importance of rural economy to municipality.

However, the productivity was explained by ecological

variables (only ENM), which showed the influence of cli-

mate in sustainable harvest.

The ENM has been widely used in the scientific litera-

ture, mainly to evaluate the impact of global climate

change on species distribution (Peterson et al.

2011


; Beck

2013


). Moreover, several studies have investigated the

relationships among suitability (obtained by ENMs),

genetic variables (e.g., Fst, He and others; Diniz-Filho

et al.


2009a

,

b



,

c

,



2015

; Soares et al.

2015

), variations in



Fig. 2

Potential geographic distribution of Hancornia speciosa, considering current (a) and future (b) climate scenarios

Environmental Management

123



functional traits (Thuiller et al.

2010


), population variables

(density; Van Der Wal et al.

2009

; Toˆrres et al.



2012

), and


the production/extraction of fruits (Nabout et al.

2011


,

2012


).

The potential geographic distribution of H. speciosa

suggests a wide distribution, occupying much of the Cer-

rado and Caatinga biomes. Despite its wide distribution,

this natural resource has been heavily used by municipal-

ities in the northeast (especially on the coast). Therefore,

H. speciosa can potentially be exploited in other regions of

Brazil. The prevalence of the use of this plant in the

northeast can be justified by encouraging and organizing

local communities in the sustainable harvest of H. speciosa

fruit (see Schmitz et al.

2009


). Furthermore, most of the

investigated municipalities tended to increase in their

production of H. speciosa, indicating the increased use of

these resources.

In this study, the ecological variables, indicated by

suitability in Ecological Niche Models, were most impor-

tant to explain the productivity of H. speciosa. Our results

indicated that suitability (obtained by the ecological niche

model) can be a surrogate for the harvest of H. speciosa.

However, this relation is triangular (i.e., constraint envel-

ope), thus, regions of low suitability will always have a

small extraction of H. speciosa (similar results were

obtained for Caryocar brasiliense; see Nabout et al.

2011


).

Nonetheless, several municipalities located in the regions

of high suitability may have low harvests of H. speciosa.

This result may be an indication that these municipalities

harvested H. speciosa below its production potential.

However, the low harvest of H. speciosa in the regions of

high suitability may be due to two aspects: (1) There are

few (if any) plants of this species in the region. The species

may be absent at the site due to historical reasons or biotic

interactions (Peterson et al.

2011

); moreover, the anthro-



pogenic impact may have eliminated individuals of those

species that occur in regions of high suitability, as the

Cerrado has undergone an intense process of land con-

version for grazing and agriculture (Sawyer

2008

). (2)


There are numerous individuals, but few have been

explored. The exploitation of natural resources is encour-

aged by state and local governments. Thus, regions with

little government support may have a low harvest of H.

speciosa because it is more profitable to invest in crops

such as soy and sugar cane than in plants for sustainable

use.

 

2.5



2.4

2.3


2.2

2.1


2

1.9


1.8

1.7


1.6

1.5


1.4

1.3


1.2

1.1


1

0.9


0.8

0.7


0.6

0.5


0.4

0.3


0.2

0.1


2.3

2.2


2.1

2

1.9



1.8

1.7


1.6

1.5


1.4

1.3


1.2

1.1


1

0.9


0.8

0.7


0.6

0.5


0.4

0.3


0.2

0.1



Download 0.87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
  1   2




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling