Effects of urbanization on avian diversity and humannature interactions in tropical environments

Abstract

Urbanization is a rapidly expanding global phenomenon that poses significant threats to biodiversity. Despite its importance, the impacts of urbanization on biodiversity in certain regions remain understudied. Recent studies have highlighted the need for more research on the topic, particularly in Africa, where unprecedented urbanization overlaps with vast biodiversity. Thus, this thesis investigated the impacts of urbanization on socioecological systems in the Afrotropics, providing data useful in achieving sustainable urban development in line with SDG Goal 11 (Sustainable Cities and Communities) in the region. This thesis began with a comprehensive systematic literature review to assess the current state of urban ecology in Africa (Chapter 1). The review revealed a striking knowledge gap, with only 795 relevant papers published in the last century (1920— 2020), much less than those from other continents. Notably, a disproportionate number of these studies (40%) were conducted in South Africa, indicating a significant geographical bias in our current knowledge on the topic. This review found that research efforts are driven by economic wealth (GDP) and the importance of conservation in African urban ecology. However, the review also exposed a surprising oversight: the Afrotropics, which is the most urbanized and biodiverse-rich African region, is not a primary focus of study. Furthermore, most urban ecology studies in Africa were conducted in a single city (55%), with substantial knowledge gaps persisting across taxonomic groups, scientific fields, and ecoregions. To partially address these important gaps, this thesis focused on investigating different research questions in multiple cities in Nigeria (Chapters 2—5), a typical Afrotropical country experiencing rapid urbanization. These additional chapters investigated the impacts of urbanization on bird taxonomic, functional and phylogenetic diversity (Chapters 2— 3), avian-mediated regulating ecosystem services, including pest control, seed dispersal, pollination, and scavenging (Chapter 4), and human-nature interactions (Chapter 5) The results of these studies unequivocally demonstrated that urbanization has profound negative impacts on bird diversity and ecosystem services in the Afrotropics. Compared to non-urban areas, urban areas exhibited significantly lower bird taxonomic diversity (Chapter 2) and reduced provisioning of essential ecosystem services provided by wildlife, including pest control, seed dispersal and pollination (Chapter 4). Scavenging was the only bird-mediated ecosystem service enhanced by urban development (wet season). Furthermore, certain urban attributes, such as the presence of vehicles and pedestrians, were found to compromise bird phylogenetic divergence and ecosystem service provision, particularly pollination and seed dispersal. However, the results also highlight the potential for targeted conservation efforts to mitigate these negative impacts. Notably, the presence of water bodies and specific vegetation types, such as canopy and bush cover, can significantly enhance multiple components of bird diversity and crucial bird-mediated regulating ecosystem services (Chapters 2 and 4). By preserving and restoring these key habitat features, it may be possible to reverse the decline of bird diversity and the associated regulating ecosystem services in Afrotropical cities, particularly seed dispersal and pollination. Chapter 3 presents a novel application of machine learning and remote sensing techniques in estimating local habitat variables influencing bird diversity components across urban and non-urban areas. This study revealed that the Modified Chlorophyll Absorption Ratio Index (MCARI) is the most effective indicator of taxonomic and phylogenetic bird diversity in the Afrotropics. In contrast, the Normalized Difference Water Index 2 (NDWI2) and Soil Adjusted Total Vegetation Index (SATVI) were found to be the best predictors of functional diversity and phylogenetic divergence, respectively. Interestingly, the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), a commonly used predictor across regions and topics, ranked relatively low (25th percentile) in most cases. These results recommended the use of these alternative predictors (MCARI, NDWI2 and SATVI) rather than the NDVI in predicting bird biodiversity in urban and non-urban areas of the Afrotropics. This is likely due to NDVI's limitations, including scaling issues, saturation in high-biomass areas, and sensitivity to soil brightness, which can compromise its accuracy in diverse Afrotropical environments. The remote sensing approach employed in this study offers a potentially more efficient and cost-effective method for estimating local habitat variables compared to traditional manual estimation techniques. By leveraging machine learning algorithms and remotely sensed data, this approach can help reduce the labor, expense, and investigator error associated with manual data collection. In addition to the ecological impacts, urbanization also has significant social implications. By investigating the extinction of experience concept among urban dwellers in Nigeria, Chapter 5 found that most citizens had little or no contact with nature. The main reasons cited for this disconnection were lack of time, money, and nearby natural areas. The study also found that respondents with higher nature contact were more connected to nature, and that the perception of neighborhood safety was an important factor promoting nature contact. Furthermore, the study also found that respondents living in Lagos, and those with lower levels of income and education, showed greater dissociation from nature. These findings could be useful to fight against the worrying extinction of experience in the region, providing potential factors to consider and implement in future urban development plans in the Afrotropics. Overall, the Chapters of this thesis highlight the need for more research on the impacts of urbanization on biodiversity and ecosystem services in the Afrotropics. They also emphasize the importance of promoting nature contact and experience among urban dwellers, particularly in regions with rapid urbanization such as the study area (i.e. Nigeria). By addressing these knowledge gaps and promoting nature experience, we can work towards creating more sustainable and resilient urban ecosystems that will benefit both people and the environment.

La urbanización es un fenómeno global en rápida expansión que plantea importantes amenazas a la biodiversidad. A pesar de su importancia, los impactos de la urbanización sobre la biodiversidad aún no se han estudiado lo suficiente en ciertas regiones. Estudios recientes destacan la necesidad de realizar más investigaciones sobre el tema, particularmente en África, donde una urbanización sin precedentes se solapa con una gran biodiversidad. Esta tesis, por tanto, se centra en el estudio de los impactos de la urbanización en los sistemas socio-ecológicos del África tropical, proporcionando datos útiles para lograr un desarrollo urbano sostenible en línea con el Objetivo de Desarrollo Sostenible 11 (Ciudades y Comunidades Sostenibles) en la región. Esta tesis comienza con una exhaustiva revisión sistemática de la literatura para evaluar el estado actual de la ecología urbana en África (Capítulo 1). La revisión reveló una sorprendente falta de información sobre el tema, con solo 795 artículos publicados en el último siglo (1920-2020), muchos menos que en otros continentes. Además, un gran número de estos estudios (40%) se realizó en Sudáfrica, lo que indica un importante sesgo geográfico en nuestro conocimiento actual sobre el tema. Esta revisión encontró también que los esfuerzos de investigación sobre ecología urbana en África están asociados con la riqueza económica (PIB) y el estado de conservación de los ecosistemas. Sorprendentemente, la revisión también expuso que el Afrotrópico, la región africana más urbanizada y rica en biodiversidad, no está prácticamente estudiada. Además, este primer capítulo identificó que la mayoría (55%) de los estudios de ecología urbana en África se realizaron en una sola ciudad, y que existen importantes lagunas de conocimiento con respecto a ciertos grupos taxonómicos, campos científicos y ecorregiones. Para abordar parcialmente estas importantes lagunas, esta tesis se centró en investigar algunas de las principales preguntas sobre el tema a través del estudio de múltiples ciudades de Nigeria (capítulos 2 a 5), un típico país afrotropical que experimenta una rápida urbanización. De manera muy resumida, estos capítulos investigaron los impactos de la urbanización en la diversidad taxonómica, funcional y filogenética de las aves (Capítulos 2 y 3), los servicios ecosistémicos reguladores mediados por las aves, incluido el control de plagas, la dispersión de semillas, la polinización y el consumo de carroña (Capítulo 4), y las interacciones entre humanos y naturaleza (Capítulo 5). Los resultados de estos estudios demostraron inequívocamente que la urbanización tiene profundos impactos negativos en la diversidad de aves y los servicios ecosistémicos en el Afrotrópico. En comparación con las áreas no urbanas, las áreas urbanas exhibieron una diversidad taxonómica de aves significativamente menor (Capítulo 2) y mostraron menores niveles de servicios ecosistémicos esenciales proporcionados por los organismos silvestres, incluido el control de plagas, la dispersión de semillas y la polinización (Capítulo 4). El consumo de carroña fue el único servicio ecosistémico mediado por las aves que mejoró en relación al desarrollo urbano (estación lluviosa). Además, se identificaron ciertas características urbanas, como la presencia de vehículos y peatones, que afectan negativamente a la diversidad filogenética de las aves y la prestación de servicios ecosistémicos, en particular la polinización y la dispersión de semillas. Sin embargo, los resultados también resaltan el potencial que pueden tener ciertas actividades de conservación para mitigar estos impactos negativos. En particular, la presencia de masas de agua y algunos tipos de vegetación específicos, como la cobertura arbórea y arbustiva, pueden mejorar significativamente múltiples componentes de la diversidad de aves así como varios de los servicios ecosistémicos de regulación que proporcionan (Capítulos 2 y 4). Al preservar y restaurar estas características clave del hábitat en las ciudades del África tropical, se podría revertir la reducción en la diversidad de aves y los servicios ecosistémicos reguladores en la zona, en particular la dispersión de semillas y la polinización. El Capítulo 3 presenta una aplicación novedosa de técnicas de aprendizaje automático y teledetección para estimar las variables del hábitat local que influyen en los distintos componentes de la diversidad de aves en áreas urbanas y no urbanas. Este estudio reveló que el índice de absorción de clorofila modificado (MCARI) es el indicador más eficaz de la diversidad taxonómica y filogenética de aves en el Afrotrópico. Por el contrario, se encontró que el Índice de Diferencia Normalizada de Agua 2 (NDWI2) y el Índice de Vegetación Total Ajustado del Suelo (SATVI) eran los mejores predictores de la diversidad funcional y la divergencia filogenética, respectivamente. Curiosamente, el Índice de Diferencia Normalizada de Vegetación (NDVI), un predictor comúnmente utilizado en todas las regiones y temas, obtuvo una clasificación de idoneidad relativamente baja (percentil 25) en la mayoría de los casos. Estos resultados apoyan el uso de estos predictores alternativos (MCARI, NDWI2 y SATVI) en lugar del NDVI para predecir la diversidad de aves en áreas urbanas y no urbanas del África tropical. Es probable que esto se deba a las limitaciones del NDVI, incluidos problemas de escala, saturación en áreas de alta biomasa y sensibilidad al brillo del suelo, que pueden comprometer su precisión en diversos ambientes del Afrotrópico. El uso de la teledetección en este estudio ofrece un método potencialmente más eficiente y rentable para estimar las variables del hábitat local en comparación con las técnicas tradicionales de estimación manual en campo. Al aprovechar los algoritmos de aprendizaje automático y los datos de detección remota, este enfoque puede ayudar a reducir el esfuerzo de trabajo de campo, los gastos y los errores de los investigadores asociados con la recopilación manual de datos. Además de los impactos ecológicos, la urbanización también tiene importantes implicaciones sociales. Al investigar el concepto de extinción de la experiencia entre los habitantes urbanos de Nigeria, el Capítulo 5 encontró que la mayoría de los ciudadanos de esta región tenían poco o ningún contacto con la naturaleza. Los principales motivos citados para esta desconexión fueron la falta de tiempo, dinero y espacios naturales cercanos. El estudio también encontró que los encuestados con mayor contacto con la naturaleza estaban más conectados con la naturaleza y que la percepción de seguridad del vecindario era un factor importante que promovía el contacto con la naturaleza. Además, el estudio también encontró que los encuestados que vivían en Lagos y aquellos con niveles más bajos de ingresos y educación mostraban una mayor disociación con la naturaleza. Estos hallazgos podrían ser útiles para luchar contra la preocupante extinción de la experiencia en la región, proporcionando elementos adicionales a considerar e implementar en futuros planes de desarrollo urbano en el Afrotrópico. En general, los capítulos de esta tesis destacan la necesidad de realizar más investigaciones sobre los impactos de la urbanización en la biodiversidad y los servicios ecosistémicos en el África tropical. También enfatizan la importancia de promover el contacto y la experiencia con la naturaleza entre los habitantes urbanos, particularmente en regiones con rápida urbanización como es el área de estudio (Nigeria). Al abordar estas lagunas de conocimiento y promover la experiencia en la naturaleza, podemos ayudar a crear ecosistemas urbanos más sostenibles y resilientes que beneficiarán tanto a las personas como al medio ambiente.