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Keywords:

  • American black bear;
  • before-after control-impacts study;
  • capture-mark-recapture;
  • eastern North Carolina;
  • genetic sampling;
  • highway impacts;
  • occupancy models;
  • population response;
  • radiotelemetry;
  • spatiotemporal response;
  • transportation infrastructure;
  • Ursus americanus

Abstract

Among numerous anthropogenic impacts on terrestrial landscapes, expanding transportation networks represent one of the primary challenges to wildlife conservation worldwide. Larger mammals may be particularly vulnerable because of typically low densities, low reproductive rates, and extensive movements. Although numerous studies have been conducted to document impacts of road networks on wildlife, inference has been limited because of experimental design limitations. During the last decade, the North Carolina Department of Transportation (NCDOT) rerouted and upgraded sections of United States Highway 64 between Raleigh and the Outer Banks to a 4-lane, divided highway. A new route was selected for a 24.1-km section in Washington County. The new section of highway included 3 wildlife underpasses with adjacent wildlife fencing to mitigate the effects of the highway on wildlife, particularly American black bears (Ursus americanus). We assessed the short-term impacts of the new highway on spatial ecology, population size, survival, occupancy, and gene flow of black bears. We tested our research hypotheses using a before-after control-impact (BACI) study design. We collected data during 2000–2001 (preconstruction phase) and 2006–2007 (postconstruction phase) in the highway project area and a nearby control area (each approx. 11,000 ha), resulting in 4 groups of data (i.e., pre- or postconstruction study phase, treatment or control area). We captured and radiocollared 57 bears and collected 5,775 hourly locations and 4,998 daily locations. Using mixed-model analysis of variance and logistic regression, we detected no differences in home ranges, movement characteristics, proximity to the highway alignment, or habitat use between the 2 study phases, although minimum detectable effect sizes were large for several tests. However, after completion of the new highway, bears on the treatment area became less inactive in morning, when highway traffic was low, compared with bears on the control area (F1, 43 = 6.05, P = 0.018). We used DNA from hair samples to determine if population size and site occupancy decreased following highway construction. For each study phase, we collected black bear hair from 70 hair snares on each study area during 7 weekly sampling periods and generated genotypes using 10 microsatellite loci. We used the multilocus genotypes to obtain capture histories for 226 different bears and used capture-mark-recapture models to estimate population size. Model-averaged estimates of population size decreased on the treatment area from 87.7 bears before construction to 31.6 bears after construction (64% reduction) and on the control area from 163.6 bears to 108.2 bears (34% reduction). Permutation procedures indicated this reduction was proportionally greater for the treatment area (P = 0.086). We also applied a spatially explicit capture-recapture technique to test our research hypothesis. The model with the most support indicated a greater change in density on the treatment area (69% reduction) compared with the control area (24% reduction). We did not observe a treatment effect based on survival of radiocollared bears. We used bear visits to hair snares as detections in multi-season occupancy models and found that occupancy decreased more on the treatment area (preconstruction: Ψ = 0.84; postconstruction: Ψ = 0.44; 48% decline) than the control area (preconstruction: Ψ = 0.91; postconstruction: Ψ = 0.81; 11% decline), primarily as a function of a greater probability of site extinctions (ε) on the treatment area (ε = 0.57) than the control area (ε = 0.17). Finally, individual- and population-based analyses of contemporary gene flow did not indicate the highway was a barrier to movements. Black bear use of the 3 wildlife underpasses was infrequent (17 verified crossings based on remote cameras, track surveys, and telemetry). Only 4 of 8 bears with home ranges near the highway were documented crossing the highway (n = 36 crossings), of which 2 were killed in vehicle collisions. Six additional bears were killed in vehicle collisions from May 2007 to November 2008, after we completed field work. Harvest data indicated that hunting mortality alone could explain the population decline on the control area. On the treatment area, however, hunting mortality only accounted for an approximately 40% population decline; the additional 30% decline we observed likely was caused by other mortality. We speculate vehicle collisions were primarily responsible. We conclude that impacts of the new highway on resident black bears occurred at the population level, rather than the individual or genetic level, but that the impact was smaller than harvest mortality. Increased activity by remaining bears when traffic volumes were low indicated behavioral plasticity. Bear use of the underpasses seemed sufficient to maintain gene flow between areas north and south of the new highway. Effectiveness of wildlife underpasses to reduce mortality of black bears may be enhanced if mitigation includes continuous fencing between crossing structures. For small, isolated populations of threatened or endangered large mammals, the potential demographic impacts of highways are an essential consideration in the transportation planning process. Control of mortality factors and maintaining demographic connectivity are particularly important. © 2012 The Wildlife Society.

De los muchos impactos humanos sobre el paisaje terrestre, la expansión de redes de transporte representa uno de los principales retos para la conservación de la vida silvestre. Los mamíferos grandes pueden llegar a ser particularmente vulnerables debido a sus bajas densidades, bajas tasas de reproducción y grandes movimientos. A pesar de los numerosos estudios para documentar los impactos de las redes de transporte sobre la vida silvestre, sus conclusiones han sido limitadas debido a limitaciones en el diseño experimental. Durante la pasada década, el Departamento de Transporte de Carolina del Norte (NCDOT siglas en ingles), modificaron y actualizaron secciones de las autopistas de los Estados Unidos 64 entre Raleigh y Outer Banks a una autopista de cuatro vías. Una nueva ruta fue seleccionada para una sección de 24.1 km. en el condado de Washington. Esta nueva sección incluye 3 pasos a desnivel para vida silvestre con cercas adyacentes para reducir los efectos de la autopista sobre la vida silvestre, particularmente sobre osos negros americanos (Ursus americanus). Evaluamos los impactos a corto plazo de esta nueva autopista sobre la ecología espacial, abundancia poblacional, sobrevivencia, ocupación y estructura genética de osos negros. La hipótesis del estudio fue probada utilizando un estudio de diseño antes-después control-impacto (BACI siglas en ingles). Colectamos datos durante 2000–2001 (fase previa a la construcción), y 2006–2007 (fase posterior a la construcción) en el área de estudio de la autopista y en una área control cercana (cada sitio aproximadamente 11,000 ha), resultando en 4 grupos de datos (Ej. Fase de estudio previa-o posterior a la construcción, área control o tratamiento). Capturamos y colocamos collares a 57 osos y colectamos un total de 5,775 ubicaciones por hora, y 4,998 localizaciones diarias. Utilizando análisis de modelos mixtos de varianza y regresiones logísticas, no detectamos cambios en rangos de hogar, características de movimiento, acercamiento a la alineación de la autopista, o uso de hábitat entre las dos fases del estudio, aunque efectos en tamaño mínimamente detectables fueron grandes para varias pruebas. Sin embargo después de la conclusión de la autopista, los osos del área de tratamiento fueron mas activos durante la mañana, cuando el trafico en la autopista es menor, comparado con los osos en el sitio de control (F1, 43 = 6,05, P = 0.018). Utilizamos ADN de muestras de pelo para determinar si la abundancia de poblaciones y sitios de ocupación disminuyeron con la construcción de la autopista. Para cada fase de estudio, colectamos pelo de oso negro de 70 trampas de pelo en el área de estudio durante 7 periodos semanales de muestreo y se generó genotipos utilizando 10 loci microsatelitales. Utilizamos genotipos multilocus para obtener historias de captura para 226 diferentes osos y utilizamos modelos de captura-recaptura para estimar la abundancia de la población. Las estimaciones de un promedio de los modelos para la abundancia poblacional, disminuyen el sitio de tratamiento de 87.7 osos antes de la construcción a 31.6 osos después de la construcción (reducción del 64%) y en el sitio de control de 163.6 a 108.2 (reducción del 34%). Procedimientos de permuta indican que esta reducción fue proporcionalmente mayor para el sitio de tratamiento (P = 0.086). Igualmente aplicamos una técnica espacialmente explicita de captura-recaptura para comprobar nuestra hipótesis. El modelo con mayor soporte indica un gran cambio en la densidad del sitio de tratamiento (reducción del 69%) comparado con el sitio de control (reducción de 24%). No se observo un efecto de tratamiento en base a estimaciones de sobrevivencia en osos con radiocollars. Utilizamos visitas de osos a las trampas de pelo como detecciones en modelos de ocupación multi-estacional y se encontró que la ocupación disminuye mas en el sitio de tratamiento (previa construcción: Ψ = 0.84; posterior construcción: Ψ = 0.44; disminución de 48%), que la del área de control (previa construcción: Ψ = 0.91; posterior construcción: Ψ = 0.81; disminución de 11%) esto principalmente como una función de una gran probabilidad de extinción (ε) en el sitio de tratamiento (ε = 0.57) que en la del sitio de control (ε = 0.17). Finalmente, los recientes análisis de flujo génico no indicaron que la carretera fuera una barrera para los movimientos. El uso de los 3 pasos a desnivel por osos negros fue infrecuente (17 cruces verificados en base a trampas cámara, huellas y telemetría). Solo 4 de los 8 osos con rangos de hogar cercanos a la autopista fueron documentados cruzar la autopista (n = 36) de los cuales dos fueron muertos por colisiones vehiculares. Otros 6 osos fueron muertos por colisiones vehiculares de Mayo 2007 a Noviembre 2008, después de completado el trabajo de campo. Datos de cosecha indican que la mortalidad por cacería sola, podría explicar la disminución de la población en el sitio control. Sin embargo, en el sitio de tratamiento, la mortalidad por cacería no solo es responsable de una reducción de ∼40% de la población; el ∼30% adicional observado fue causado por otra mortalidad y especulamos que la colisión vehicular fue parcialmente responsable. Concluimos que el impacto de la nueva autopista ocurrió a nivel de población en lugar de individuo o genético, pero que el impacto fue menor que la mortalidad de cosecha. El incremento en actividad de los osos restantes cuando los volúmenes de tráfico son bajos, indican una plasticidad de comportamiento. El uso de los pasos a desnivel por los osos parece ser suficientes para mantener el flujo génico entre las porciones norte y sur de la autopista. Nuestros resultados indican que la infraestructura de transporte puede afectar las poblaciones de oso negro a corto plazo. La efectividad de pasos a desnivel para la vida silvestre para la reducción de la mortalidad de osos negros es sustancialmente mejorada si las mitigaciones incluyen cercas continuas entre las estructuras de cruce. Para pequeñas y aisladas poblaciones de mamíferos grandes amenazados o en peligro, los impactos potenciales demográficos de las autopistas son consideraciones esenciales para el proceso de planificación del transporte. Control de la mortalidad y mantenimiento en la conectividad demográfica son particularmente importantes.

Parmi de nombreux impacts anthropogéniques sur les paysages terrestres, le développement des réseaux de transports représente un des principaux obstacles à la protection de la faune dans le monde entier. Les grands mammifères sont sans doute particulièrement vulnérables de part leur faible densité de population, faible taux de reproduction et déplacements étendus. Bien que plusieurs études on été réalisées pour documenter les effets des réseaux routiers sur la faune, les conclusions ont été limitées par les limitations expérimentales. Pendant la dernière décennie, le département du transport de la Caroline du Nord (NCDOT) a dévié et amélioré certaines sections de l'autoroute 64 entre Raleigh et les Outer Banks en créant une autoroute à deux fois deux voies séparées par un terre-plein. Un nouveau tracé a été choisi pour une section de 24.1 km dans le comté de Washington. Cette nouvelle section d'autoroute comprenait trois souterrains pour la faune avec des barrières grillagées de part et d'autre de chaque souterrain afin de limiter les effets de l'autoroute sur la faune, plus particulièrement les ours noirs américains (Ursus americanus). Nous avons mesuré les effets à court terme de la nouvelle autoroute sur l'écologie spatiale, l'abondance de population, la survie, l'occupation de sites, et la structure génétique des ours noirs. Nous avons testé nos hypothèses de recherche avec la mise en place d'un protocole BACI (before-after control-impact). Nous avons collecté des données pendant les années 2000–2001 (avant les travaux de construction) et les années 2006–2007 (après les travaux de construction) dans la zone du projet d'autoroute et dans une zone témoin à proximité (chaque zone mesurant à peu prés 11,000 ha), quatre groupes de données (i.e., avant ou après la phase des travaux, zone traitement ou zone témoin). Nous avons capturé 57 ours sur lesquels ont été posés des colliers équipés d'un émetteur-radio et avons collecté 5,775 localisations horaires et 4,998 localisations journalières. Apres l'utilisation d'analyse de variance modèle mixte et de régression logistique, nous avons détecté aucun changement dans l'étendue de l'habitat, les caractéristiques des déplacements, la proximité de l'autoroute, ou l'utilisation de l'habitat entre les deux phases de l'étude, bien que la puissance statistique était faible pour plusieurs tests. Cependant, après la construction de la nouvelle autoroute, les ours de la zone traitement sont devenus plus actifs le matin, quand le trafic routier est faible, par rapport aux ours de la zone témoin (F1, 43 = 6.05, P = 0.018). Nous avons utilisé l'ADN d'échantillons de poils pour déterminer si l'abondance de population et l'occupation des sites ont baissé après la construction de l'autoroute. Pour chaque phase de l'étude, nous avons collecté des poils d'ours noirs grâce à 70 pièges situés sur chaque zone d'étude pendant 7 périodes d'échantillonnage hebdomadaires et avons généré des génotypes en utilisant 10 locus microsatellites. Nous avons utilisé les génotypes multilocus afin d'obtenir les historiques de capture de 226 différents ours et avons utilisé modèles capture-marquage-recapture pour estimer l'abondance de population. La moyenne des estimations d'abondance de population des modèles a décru sur la zone traitement de 87.7 ours avant construction à 31.6 ours après construction (une réduction de 64%) et sur la zone témoin de 163.6 à 108.2 (une réduction de 34%). Des procédures de permutations ont indiqué que cette réduction était proportionnellement plus grande pour la zone traitement (P = 0.086). Nous avons aussi appliqué une technique de capture-recapture spatialement explicite pour tester nos hypothèses de recherche. Le modèle le plus robuste a indiqué un plus grand changement de densité dans la zone traitement (une réduction de 69%) par rapport à la zone témoin (une réduction de 24%). Nous n'avons pas observé d'effet traitement sur les estimations de la probabilité de survie des ours équipés de colliers radio. Nous avons utilisé le nombre de visites des pièges à poils par les ours comme détecteurs pour les modèles d'occupation multi-saisons et avons trouvé que l'occupation de sites a baissé plus fortement dans la zone traitement (avant construction: Ψ = 0.84; après construction: Ψ = 0.44; un déclin de 48%) que dans la zone témoin (avant construction: Ψ = 0.91; après construction: Ψ = 0.81; un déclin de 11%), principalement dû à une probabilité d'extinctions de site (ε) plus grande dans la zone traitement (ε = 0.57) que dans la zone témoin (ε = 0.17). Enfin, les analyses modernes de flot de gènes n'ont pas montré que l'autoroute était une entrave aux déplacements des ours. Les ours noir ont très peu emprunté les souterrains (17 passages vérifiés par des caméras à distance, surveillances d'empreintes, télémétrie). Seulement 4 des 8 ours ayant un territoire proche de l'autoroute ont traversé l'autoroute (n = 36 traversées documentées), parmi ceux-ci, 2 ont été tués dans des collisions avec un véhicule. Six autres ours on été tués dans des collisions avec un véhicule de mai 2007 a novembre 2008, après que nous ayons fini le travail de terrain. La mortalité due à la chasse pourrait en elle-même expliquer le déclin de la population dans la zone témoin. Cependant, dans la zone traitement, la mortalité due à la chasse a seulement expliqué un déclin de population de 40%; les 30% additionnels que nous avons observés ont sans doute été causés par d'autre type de mortalité et nous suspectons que les collisions avec un véhicule en sont en partie responsables. Nous concluons que les impacts de la nouvelle autoroute se font plutôt au niveau de la population qu'au niveau individuel ou génétique, mais que l'impact était plus faible que la mortalité due à la chasse. Un accroissement de l'activité des ours restants quand la circulation routière était faible a démontré un comportement d'adaptation de la part des ours. L'utilisation des souterrains par les ours a semblée être suffisante pour maintenir le flot de gènes entres les zones nord et sud, séparées par la nouvelle autoroute. Nos résultats indiquent que les infrastructures de transport peuvent avoir un effet à court terme sur les populations des ours noirs. L'efficacité des souterrains dans la réduction de la mortalité des ours noirs est substantiellement améliorée si des barrières grillagées continues sont installées entre chaque souterrain. Pour des populations faibles et isolées de larges mammifères menacés ou en danger, les impacts potentiels des autoroutes sur la démographie sont une considération essentielle de la phase de préparation d'un nouveau projet de transport. Le contrôle de la mortalité et le maintien de la connectivité démographique sont des considérations particulièrement importantes.