Integrating functional connectivity and climate change in the design of protected area networks

Le rapide déclin actuel de la biodiversité est inquiétant et les activités humaines en sont la cause directe. De nombreuses aires protégées ont été mises en place pour contrer cette perte de biodiversité. Afin de maximiser leur efficacité, l’amélioration de la connectivité fonctionnelle entre elles est requise. Les changements climatiques perturbent actuellement les conditions environnementales de façon globale. C’est une menace pour la biodiversité qui n’a pas souvent été intégrée lors de la mise en place des aires protégées, jusqu’à récemment. Le mouvement des espèces, et donc la connectivité fonctionnelle du paysage, est impacté par les changements climatiques et des études ont montré qu’améliorer la connectivité fonctionnelle entre les aires protégées aiderait les espèces à faire face aux impacts des changements climatiques. Ma thèse présente une méthode pour concevoir des réseaux d’aires protégées tout en tenant compte des changements climatiques et de la connectivité fonctionnelle. Mon aire d’étude est la région de la Gaspésie au Québec (Canada). La population en voie de disparition de caribou de la Gaspésie-Atlantique (Rangifer tarandus caribou) a été utilisée comme espèce focale pour définir la connectivité fonctionnelle. Cette petite population subit un déclin continu dû à la prédation et la modification de son habitat, et les changements climatiques pourraient devenir une menace supplémentaire. J’ai d’abord construit un modèle individu-centré spatialement explicite pour expliquer et simuler le mouvement du caribou. J’ai utilisé les données VHF éparses de la population de caribou et une stratégie de modélisation patron-orienté pour paramétrer et sélectionner la meilleure hypothèse de mouvement. Mon meilleur modèle a reproduit la plupart des patrons de mouvement définis avec les données observées. Ce modèle fournit une meilleure compréhension des moteurs du mouvement du caribou de la Gaspésie-Atlantique, ainsi qu’une estimation spatiale de son utilisation du paysage dans la région. J’ai conclu que les données éparses étaient suffisantes pour ajuster un modèle individu-centré lorsqu’utilisé avec une modélisation patron-orienté. Ensuite, j’ai estimé l’impact des changements climatiques et de différentes actions de conservation sur le potentiel de mouvement du caribou. J’ai utilisé le modèle individu-centré pour simuler le mouvement du caribou dans des paysages hypothétiques représentant différents scénarios de changements climatiques et d’actions de conservation. Les actions de conservation représentaient la mise en place de nouvelles aires protégées en Gaspésie, comme définies par le scénario proposé par le gouvernement du Québec, ainsi que la restauration de routes secondaires à l’intérieur des aires protégées. Les impacts des changements climatiques sur la végétation, comme définis dans mes scénarios, ont réduit le potentiel de mouvement du caribou. La restauration des routes était capable d’atténuer ces effets négatifs, contrairement à la mise en place des nouvelles aires protégées. Enfin, j’ai présenté une méthode pour concevoir des réseaux d’aires protégées efficaces et j’ai proposé des nouvelles aires protégées à mettre en place en Gaspésie afin de protéger la biodiversité sur le long terme. J’ai créé de nombreux scénarios de réseaux d’aires protégées en étendant le réseau actuel pour protéger 12% du territoire. J’ai calculé la représentativité écologique et deux mesures de connectivité fonctionnelle sur le long terme pour chaque réseau. Les mesures de connectivité fonctionnelle représentaient l’accès général aux aires protégées pour le caribou de la Gaspésie-Atlantique ainsi que son potentiel de mouvement à l’intérieur. J’ai utilisé les estimations de potentiel de mouvement pour la période de temps actuelle ainsi que pour le futur sous différents scénarios de changements climatiques pour représenter la connectivité fonctionnelle sur le long terme. Le réseau d’aires protégées que j’ai proposé était le scénario qui maximisait le compromis entre les trois caractéristiques de réseau calculées. Dans cette thèse, j’ai expliqué et prédit le mouvement du caribou de la Gaspésie-Atlantique sous différentes conditions environnementales, notamment des paysages impactés par les changements climatiques. Ces résultats m’ont aidée à définir un réseau d’aires protégées à mettre en place en Gaspésie pour protéger le caribou au cours du temps. Je crois que cette thèse apporte de nouvelles connaissances sur le comportement de mouvement du caribou de la Gaspésie-Atlantique, ainsi que sur les actions de conservation qui peuvent être prises en Gaspésie afin d’améliorer la protection du caribou et de celle d’autres espèces. Je crois que la méthode présentée peut être applicable à d’autres écosystèmes aux caractéristiques et besoins similaires.

The world is facing worrisome declines in biodiversity. Species extinction rates have increased as a direct consequence of human activities. Protected areas have been implemented around the world in an effort to counter biodiversity loss. Although protected areas are part of the solution, they should be designed systematically in a way to maximize their effectiveness. Enhancing functional connectivity between protected areas is one way to increase their effectiveness. Climate change is disrupting environmental conditions globally. It is a threat to biodiversity that until recently was not often integrated into protected area design. Climate change has been shown to impact species movements, and therefore landscape functional connectivity. Some studies have suggested that enhancing functional connectivity between protected areas can also help species cope with climate change impacts. My thesis presents a methodology to design protected area networks while accounting for climate change and functional connectivity. My study area is located in the natural region of Gaspésie in Québec (Canada). The endangered Atlantic-Gaspésie population of woodland caribou (Rangifer tarandus caribou) was used as the focal species to define functional connectivity. This small population is in long-term decline due to predation and habitat change, but climate change may become an additional threat. First, I built a spatially explicit individual-based model to explain and simulate caribou movement. I used sparse VHF data available at the time of the study to select and parameterize a movement model using a pattern-oriented modeling strategy. My best model reproduced most of the movement patterns defined from the observed data. This model improved the understanding of the movement drivers for the Atlantic-Gaspésie caribou. It also provided spatial estimates of caribou landscape use in the Gaspésie region. I concluded that sparse data were sufficient to fit individual-based models when coupled with a pattern-oriented modeling strategy. Second, I estimated how climate change and conservation activities may impact caribou movement potential. I used the individual-based model to simulate caribou movements in hypothetical landscapes representing the impacts of various climate change scenarios and conservation activities. Conservation activities represented the implementation of new protected areas in Gaspésie, according to the scenario developed by the government of Québec, and the restoration of secondary roads inside protected areas. Climate change impacts on vegetation, as defined in my scenarios, reduced caribou movement potential. Road restoration was able to mitigate these negative effects whereas the implementation of the new protected areas did not improve caribou movement potential. Third, I presented a methodology to design effective protected area networks and proposed new protected areas to implement in Gaspésie to conserve biodiversity in the presence of climate change. I created a large sample of protected area networks expanding the existing network to reach an areal target of 12%. I then calculated an ecological representativeness index and two measures of functional connectivity over time for each network. Functional connectivity measures represented the overall access to the protected areas and the movement potential in them for the Atlantic-Gaspésie caribou. I used movement potential estimates for the current time period and for the future under different climate change scenarios to represent functional connectivity. The protected area network I proposed maximized the trade-off between the three network features I calculated. In this thesis I examined Atlantic-Gaspésie caribou movements under different environmental conditions, including climate change impacted landscapes. These results helped define new protected areas for the Gaspésie region that will protect the caribou population over time. I believe this thesis gives new insights on the Atlantic-Gaspésie caribou movement behavior, as well as on the management actions that could be taken in Gaspésie to improve conservation of caribou and of other species. I believe this methodology could be applied to other ecosystems with similar characteristics and needs.