Quantification of the ecosystem function pest control: assessing predation rates of artificial caterpillars by birds in secondary forest fragments within a peri-urban area in southeastern Brazil

Urbanization processes are one of the main factors for habitat loss and fragmentation, driving global biodiversity loss and species extinction. The neotropical Atlantic forest in Brazil is considered a global key biodiversity hotspot and used to be one of the most extensive forests of the Americas. Due to substantial deforestation over centuries, its landscape was transformed into a mosaic of small forest fragments surrounded by a predominantly agricultural matrix. Urban expansion and rural urbanization have created peri-urban zones, which still can harbor natural habitat remnants, contributing to biological diversity and thus providing essential ecosystem services to urban and rural areas. The maintenance of such ecosystem services requires an understanding of the ecological processes in the ecosystem. A prerequisite for such an in-depth insight is the quantification of the underlying ecosystem functions. The ecosystem function pest control, a trophic interaction between insectivorous birds and herbivorous arthropods, was quantified in an empirical study using artificial caterpillars as prey models. This technique allows the identification of predator groups and the assessment of their predation rates. A total of 888 plasticine caterpillars were distributed at eight sites in secondary forest fragments surrounding the university campus of the federal university of São Carlos (UFScar) in peri-urban Sorocaba, southeastern Brazil. In sixteen point counts, 72 insect-eating birds, belonging to 19 species, were identified as possible artificial caterpillar attackers. Local habitat variables were measured to describe the forest vegetation structure and the landscape context. The study aimed to assess which structural components of the forest fragments, together with the recorded bird community variables (abundance, richness, αdiversity), best explain the estimated predation rates by birds. The mean predation rate for birds was 8.25 ± 6.3 % for a reference period of eight days, representing the first quantification of the ecosystem function pest control for the study area. The three treatments of caterpillar placement heights (ground, stem: 0.5 -1.0 m, leaf: 1.5 - 2.0 m) were the best and only estimator to explain bird predation rates. The little dense understory and ground vegetation might have facilitated the accessibility of artificial caterpillars, especially for carnivorous arthropods and birds. The detected contrast in their foraging and predation patterns suggests that arthropods and birds complement each other in their function of pest control. Bird predation rates were found to be negatively related to the vegetation structure. Thus, more open habitats, with less understory and low tree density, but high canopy cover and including dead trees were correlated with the highest predation rates and also exhibited more specialized forest-dependent bird species. This study confirms the importance of the maintenance of forest fragments in peri-urban areas, even if they are small, to preserve forest-associated birds, to contribute to the biological diversity on a broader scale, and to prevent the loss of ecosystem functions and services, mitigating some of the adverse effects of urbanization. Further investigation of the effect among the three treatments of caterpillar placement on the predation rates is encouraged, including comparative studies among different habitat types. For future studies, it is recommended to model the avian community variables with the vegetation structure measures to predict habitat preferences of insectivorous birds. Therefore, the sampling of more units and on a bigger scale, including over a more extended period, is necessary to improve the robustness of the results, which could provide the basis for a monetary analysis of the ecosystem service pest control by birds.Los procesos de urbanización son uno de los principales factores de pérdida y fragmentación del hábitat, lo que provoca la pérdida de biodiversidad global y la extinción de especies. El bosque atlántico neotropical en Brasil, antaño uno de los bosques más extensos de América, se considera un hotspot clave de biodiversidad global. Debido a la extensa deforestación durante siglos, su paisaje fue transformado en un mosaico de pequeños fragmentos de bosque rodeados predominantemente por una matriz agrícola. La expansión urbana y la urbanización rural han creado zonas periurbanas, que aún pueden albergar remanentes de hábitats naturales; estos contribuyen a la diversidad biológica y proporcionan servicios ecosistémicos esenciales a las áreas urbanas y rurales. El mantenimiento de los servicios ecosistémicos requiere la comprensión de los procesos ecológicos en el ecosistema. Un requisito previo para una comprensión profunda es la cuantificación de las funciones ecosistémicas subyacentes. La función ecosistémica de control de plagas es una interacción trófica entre aves insectívoras y artrópodos herbívoros, y se cuantificó experimentalmente mediante orugas artificiales como modelos de presa. Esta técnica permite la identificación de grupos de depredadores y la evaluación de las tasas de depredación. Un total de 888 orugas de plastilina fueron distribuidas en ocho puntos en fragmentos de bosque secundario que rodean el campus universitario de la universidad federal de São Carlos (UFScar) en la periurbana de Sorocaba, sureste de Brasil. En dieciséis puntos de conteo, se identificaron 72 aves insectívoras, pertenecientes a 19 especies, como posibles depredadoras de orugas artificiales. Se midieron las variables del hábitat local para describir la estructura de la vegetación forestal y el contexto del paisaje. El estudio tuvo como objetivo evaluar cúales componentes estructurales de los fragmentos de bosque, junto con las variables de la comunidad de aves registradas (abundancia, riqueza, diversidad α), explican mejor las tasas estimadas de depredación por aves. La tasa media de depredación de aves fue de 8,25 ± 6,3 % durante ocho días, lo que representa la primera cuantificación para el área de estudio. Los tres tratamientos de altura de colocación de las orugas (suelo, tallo: 0,5 -1,0 m, hoja: 1,5 - 2,0 m) fueron el mejor y único estimador para explicar las tasas de depredación de aves. El sotobosque y la vegetación del suelo, ambos poco densos, podrían haber facilitado la accesibilidad de artrópodos carnívoras y aves a las presas artificiales. El contraste detectado en sus patrones de alimentación y depredación sugiere que los artrópodos y las aves pueden complementarse entre sí en su función de control de plagas. Se encontró que la tasa de orugas artificiales por aves está relacionada negativamente con la estructura de la vegetación. Por lo tanto, los hábitats más abiertos, con menos sotobosque y menor densidad de árboles, pero con una alta cobertura de dosel y árboles muertos presentaron las tasas de depredación más altas, y especies de aves más especializadas y dependientes del bosque. Este estudio confirma la importancia del mantenimiento de fragmentos de bosque en áreas periurbanas, aunque sean pequeñas, ya que podrían preservar las aves asociadas al bosque, enriquecer a la diversidad biológica en una escala más amplia y prevenir la pérdida de funciones y servicios de los ecosistemas, mitigando algunos de los efectos adversos de la urbanización. Se sugiere una mayor investigación del efecto entre los tres tratamientos de altura de colocación de las orugas sobre la tasa de depredación de aves, lo que podría incluir estudios comparativos entre diferentes tipos de hábitats. Se recomienda para estudios futuros, modelar las variables de la comunidad de aves con las medidas de la estructura de la vegetación para predecir las preferencias de hábitat de las aves insectívoras. Por lo tanto, es necesario, aumentar el muestreo a más unidades y a una mayor escala, incluso durante un período más prolongado, para mejorar la solidez de los resultados, cúales podrían proporcionar la base para un análisis monetario del servicio ecosistémico de control de plagas por aves