Changing landscapes of Switzerland: assessing effects of historic and future land uses and land covers on the occurrence of selected butterfly species

Summary Landscapes are continuously changing. Natural forces of change such as heavy rainfall and fires can exert lasting influences on their physical form. However, changes related to human activities have often shaped landscapes more distinctly. In Western Europe, especially modern agricultural practices and the expanse of overbuilt land have left their marks in the landscapes since the middle of the 20th century. In the recent years men realised that mare and more changes that were formerly attributed to natural forces might indirectly be the result of their own action. Perhaps the most striking landscape change indirectly driven by human activity we can witness in these days is the large withdrawal of Alpine glaciers. Together with the landscapes also habitats of animal and plant species have undergone vast and sometimes rapid changes that have been hold responsible for the ongoing loss of biodiversity. Thereby, still little knowledge is available about probable effects of the rate of landscape change on species persistence and disappearance. Therefore, the development and speed of land use/land cover in the Swiss communes between the 1950s and 1990s were reconstructed using 10 parameters from agriculture and housing censuses, and were further correlated with changes in butterfly species occurrences. Cluster analyses were used to detect spatial patterns of change on broad spatial scales. Thereby, clusters of communes showing similar changes or transformation rates were identified for single decades and put into a temporally dynamic sequence. The obtained picture on the changes showed a prevalent replacement of non-intensive agriculture by intensive practices, a strong spreading of urban communes around city centres, and transitions towards larger farm sizes in the mountainous areas. Increasing transformation rates toward more intensive agricultural managements were especially found until the 1970s, whereas afterwards the trends were commonly negative. However, transformation rates representing the development of residential buildings showed positive courses at any time. The analyses concerning the butterfly species showed that grassland species reacted sensitively to the density of livestock in the communes. This might indicate the augmented use of dry grasslands as cattle pastures that show altered plant species compositions. Furthermore, these species also decreased in communes where farms with an agricultural area >5ha have disappeared. The species of the wetland habitats were favoured in communes with smaller fractions of agricultural areas and lower densities of large farms (>10ha) but did not show any correlation to transformation rates. It was concluded from these analyses that transformation rates might influence species disappearance to a certain extent but that states of the environmental predictors might generally outweigh the importance of the corresponding rates. Information on the current distribution of species is evident for nature conservation. Planning authorities that define priority areas for species protection or examine and authorise construction projects need to know about the spatial distribution of species. Hence, models that simulate the potential spatial distribution of species have become important decision tools. The underlying statistical analyses such as the widely used generalised linear models (GLM) often rely on binary species presence-absence data. However, often only species presence data have been colleted, especially for vagrant, rare or cryptic species such as butterflies or reptiles. Modellers have thus introduced randomly selected absence data to design distribution models. Yet, selecting false absence data might bias the model results. Therefore, we investigated several strategies to select more reliable absence data to model the distribution of butterfly species based on historical distribution data. The results showed that better models were obtained when historical data from longer time periods were considered. Furthermore, model performance was additionally increased when long-term data of species that show similar habitat requirements as the modelled species were used. This successful methodological approach was further applied to assess consequences of future landscape changes on the occurrence of butterfly species inhabiting dry grasslands or wetlands. These habitat types have been subjected to strong deterioration in the recent decades, what makes their protection a future mission. Four spatially explicit scenarios that described (i) ongoing land use changes as observed between 1985 and 1997, (ii) liberalised agricultural markets, and (iii) slightly and (iv) strongly lowered agricultural production provided probable directions of landscape change. Current species-environment relationships were derived from a statistical model and used to predict future occurrence probabilities in six major biogeographical regions in Switzerland, comprising the Jura Mountains, the Plateau, the Northern and Southern Alps, as well as the Western and Eastern Central Alps. The main results were that dry grasslands species profited from lowered agricultural production, whereas overgrowth of open areas in the liberalisation scenario might impair species occurrence. The wetland species mostly responded with decreases in their occurrence probabilities in the scenarios, due to a loss of their preferred habitat. Further analyses about factors currently influencing species occurrences confirmed anthropogenic causes such as urbanisation, abandonment of open land, and agricultural intensification. Hence, landscape planning should pay more attention to these forces in areas currently inhabited by these butterfly species to enable sustainable species persistence. In this thesis historical data were intensively used to reconstruct past developments and to make them useful for current investigations. Yet, the availability of historical data and the analyses on broader spatial scales has often limited the explanatory power of the conducted analyses. Meaningful descriptors of former habitat characteristics and abundant species distribution data are generally sparse, especially for fine scale analyses. However, this situation can be ameliorated by broadening the extent of the study site and the used grain size, as was done in this thesis by considering the whole of Switzerland with its communes. Nevertheless, current monitoring projects and data recording techniques are promising data sources that might allow more detailed analyses about effects of long-term species reactions on landscape changes in the near future. This work, however, also showed the value of historical species distribution data as for example their potential to locate still unknown species occurrences. The results might therefore contribute to further research activities that investigate current and future species distributions considering the immense richness of historical distribution data. Résumé Les paysages changent continuellement. Des farces naturelles comme des pluies violentes ou des feux peuvent avoir une influence durable sur la forme du paysage. Cependant, les changements attribués aux activités humaines ont souvent modelé les paysages plus profondément. Depuis les années 1950 surtout, les pratiques agricoles modernes ou l'expansion des surfaces d'habitat et d'infrastructure ont caractérisé le développement du paysage en Europe de l'Ouest. Ces dernières années, l'homme a commencé à réaliser que beaucoup de changements «naturels » pourraient indirectement résulter de ses propres activités. Le changement de paysage le plus apparent dont nous sommes témoins de nos jours est probablement l'immense retraite des glaciers alpins. Avec les paysages, les habitats des animaux et des plantes ont aussi été exposés à des changements vastes et quelquefois rapides, tenus pour coresponsable de la continuelle diminution de la biodiversité. Cependant, nous savons peu des effets probables de la rapidité des changements du paysage sur la persistance et la disparition des espèces. Le développement et la rapidité du changement de l'utilisation et de la couverture du sol dans les communes suisses entre les années 50 et 90 ont donc été reconstruits au moyen de 10 variables issues des recensements agricoles et résidentiels et ont été corrélés avec des changements de présence des papillons diurnes. Des analyses de groupes (Cluster analyses) ont été utilisées pour détecter des arrangements spatiaux de changements à l'échelle de la Suisse. Des communes avec des changements ou rapidités comparables ont été délimitées pour des décennies séparées et ont été placées en séquence temporelle, en rendrent une certaine dynamique du changement. Les résultats ont montré un remplacement répandu d'une agriculture extensive des pratiques intensives, une forte expansion des faubourgs urbains autour des grandes cités et des transitions vers de plus grandes surfaces d'exploitation dans les Alpes. Dans le cas des exploitations agricoles, des taux de changement croissants ont été observés jusqu'aux années 70, alors que la tendance a généralement été inversée dans les années suivantes. Par contre, la vitesse de construction des nouvelles maisons a montré des courbes positives pendant les 50 années. Les analyses sur la réaction des papillons diurnes ont montré que les espèces des prairies sèches supportaient une grande densité de bétail. Il est possible que dans ces communes beaucoup des prairies sèches aient été fertilisées et utilisées comme pâturages, qui ont une autre composition floristique. De plus, les espèces ont diminué dans les communes caractérisées par une rapide perte des fermes avec une surface cultivable supérieure à 5 ha. Les espèces des marais ont été favorisées dans des communes avec peu de surface cultivable et peu de grandes fermes, mais n'ont pas réagi aux taux de changement. Il en a donc été conclu que la rapidité des changements pourrait expliquer les disparitions d'espèces dans certains cas, mais que les variables prédictives qui expriment des états pourraient être des descripteurs plus importants. Des informations sur la distribution récente des espèces sont importantes par rapport aux mesures pour la conservation de la nature. Pour des autorités occupées à définir des zones de protection prioritaires ou à autoriser des projets de construction, ces informations sont indispensables. Les modèles de distribution spatiale d'espèces sont donc devenus des moyens de décision importants. Les méthodes statistiques courantes comme les modèles linéaires généralisés (GLM) demandent des données de présence et d'absence des espèces. Cependant, souvent seules les données de présence sont disponibles, surtout pour les animaux migrants, rares ou cryptiques comme des papillons ou des reptiles. C'est pourquoi certains modélisateurs ont choisi des absences au hasard, avec le risque d'influencer le résultat en choisissant des fausses absences. Nous avons établi plusieurs stratégies, basées sur des données de distribution historique des papillons diurnes, pour sélectionner des absences plus fiables. Les résultats ont démontré que de meilleurs modèles pouvaient être obtenus lorsque les données proviennent des périodes de temps plus longues. En plus, la performance des modèles a pu être augmentée en considérant des données de distribution à long terme d'espèces qui occupent des habitats similaires à ceux de l'espèce cible. Vu le succès de cette stratégie, elle a été utilisée pour évaluer les effets potentiels des changements de paysage futurs sur la distribution des papillons des prairies sèches et marais, deux habitats qui ont souffert de graves détériorations. Quatre scénarios spatialement explicites, décrivant (i) l'extrapolation des changements de l'utilisation de sol tels qu'observés entre 1985 et 1997, (ii) la libéralisation des marchés agricoles, et une production agricole (iii) légèrement amoindrie et (iv) fortement diminuée, ont été utilisés pour générer des directions de changement probables. Les relations actuelles entre la distribution des espèces et l'environnement ont été déterminées par le biais des modèles statistiques et ont été utilisées pour calculer des probabilités de présence selon les scénarios dans six régions biogéographiques majeures de la Suisse, comportant le Jura, le Plateau, les Alpes du Nord, du Sud, centrales orientales et centrales occidentales. Les résultats principaux ont montré que les espèces des prairies sèches pourraient profiter d'une diminution de la production agricole, mais qu'elles pourraient aussi disparaître à cause de l'embroussaillement des terres ouvertes dû à la libéralisation des marchés agricoles. La probabilité de présence des espèces de marais a décrû à cause d'une perte générale des habitats favorables. De plus, les analyses ont confirmé que des causes humaines comme l'urbanisation, l'abandon des terres ouvertes et l'intensification de l'agriculture affectent actuellement ces espèces. Ainsi ces forces devraient être mieux prises en compte lors de planifications paysagères, pour que ces papillons diurnes puissent survivre dans leurs habitats actuels. Dans ce travail de thèse, des données historiques ont été intensivement utilisées pour reconstruire des développements anciens et pour les rendre utiles à des recherches contemporaines. Cependant, la disponibilité des données historiques et les analyses à grande échelle ont souvent limité le pouvoir explicatif des analyses. Des descripteurs pertinents pour caractériser les habitats anciens et des données suffisantes sur la distribution des espèces sont généralement rares, spécialement pour des analyses à des échelles fores. Cette situation peut être améliorée en augmentant l'étendue du site d'étude et la résolution, comme il a été fait dans cette thèse en considérant toute la Suisse avec ses communes. Cependant, les récents projets de surveillance et les techniques de collecte de données sont des sources prometteuses, qui pourraient permettre des analyses plus détaillés sur les réactions à long terme des espèces aux changements de paysage dans le futur. Ce travail a aussi montré la valeur des anciennes données de distribution, par exemple leur potentiel pour aider à localiser des' présences d'espèces encore inconnues. Les résultats peuvent contribuer à des activités de recherche à venir, qui étudieraient les distributions récentes ou futures d'espèces en considérant l'immense richesse des données de distribution historiques.

Queen acceptance in a socially polymorphic ant

A central question in social evolution is what processes regulate the number of breeders in each social group. Here, we tested whether differences in the rate of acceptance of new queens by resident workers could be a proximate cause explaining the coexistence of single- and multiple-queen colonies in an ant population. We found that Formica selysi workers discriminated against foreign (non-nestmate) queens, which contributes to maintaining the genetic integrity of the social group essential to kin selection. All the young and newly mated foreign queens introduced into experimental groups of workers died within 48 h. In contrast, workers frequently accepted young newly mated nestmate queens. The survival of nestmate queens was not significantly lower in groups of workers originating from single- queen colonies than in groups of workers originating from multiple-queen colonies. Finally, virgin queens had significantly higher survival than mated queens. Together, these results show that the maintenance of single-queen and multiple-queen colonies in the same population is unlikely to be caused by strong differences between the two types of colonies in their rate of acceptance of new queens by workers. They also suggest that the discrimination of queens by resident workers restricts the dispersal of foreign queens among colonies, but not the acceptance of additional nestmate queens.

Sham nepotism as a result of intrinsic differences in brood viability in ants.

In animal societies, cooperation for the common wealth and latent conflicts due to the selfish interests of individuals are in delicate balance. In many ant species, colonies contain multiple breeders and workers interact with nestmates of varying degrees of relatedness. Therefore, workers could increase their inclusive fitness by preferentially caring for their closest relatives, yet evidence for nepotism in insect societies remains scarce and controversial. We experimentally demonstrate that workers of the ant Formica exsecta do not discriminate between highly related and unrelated brood, but that brood viability differs between queens. We further show that differences in brood viability are sufficient to explain a relatedness pattern that has previously been interpreted as evidence for nepotism. Hence, our findings support the view that nepotism remains elusive in social insects and emphasize the need for further controlled experiments.

The influence of social structure on brood survival and development in a socially polymorphic ant: insights from a cross-fostering experiment.

Animal societies vary in the number of breeders per group, which affects many socially and ecologically relevant traits. In several social insect species, including our study species Formica selysi, the presence of either one or multiple reproducing females per colony is generally associated with differences in a suite of traits such as the body size of individuals. However, the proximate mechanisms and ontogenetic processes generating such differences between social structures are poorly known. Here, we cross-fostered eggs originating from single-queen (= monogynous) or multiple-queen (= polygynous) colonies into experimental groups of workers from each social structure to investigate whether differences in offspring survival, development time and body size are shaped by the genotype and/or prefoster maternal effects present in the eggs, or by the social origin of the rearing workers. Eggs produced by polygynous queens were more likely to survive to adulthood than eggs from monogynous queens, regardless of the social origin of the rearing workers. However, brood from monogynous queens grew faster than brood from polygynous queens. The social origin of the rearing workers influenced the probability of brood survival, with workers from monogynous colonies rearing more brood to adulthood than workers from polygynous colonies. The social origin of eggs or rearing workers had no significant effect on the head size of the resulting workers in our standardized laboratory conditions. Overall, the social backgrounds of the parents and of the rearing workers appear to shape distinct survival and developmental traits of ant brood.

Propagation dans l'environnement des microorganismes et autres particules organiques issus des élevages intensifs et conséquences pour la santé des riverains

Les élevages d'animaux de rente hébergent de plus en plus de bêtes. Cette situation génère une accumulation de poussière organique, constituée de particules inertes et de microorganismes, issus de la nourriture, de la litière, des matières fécales, des pellicules de la peau, des poils, etc. L'activité des animaux et l'activité professionnelle favorisent une remise en suspension de cette poussière, qui peut se propager à l'extérieur. Ces émissions de particules organiques dans l'environnement soulèvent des inquiétudes pour la santé des riverains. Ces craintes sont légitimes, puisque les problèmes respiratoires, allergiques ou toxiques sont bien connus chez les travailleurs agricoles exposés à de fortes doses de poussières organiques. Un autre risque sanitaire lié aux élevages intensifs d'animaux est la dissémination de bactéries résistantes aux antibiotiques dans l'environnement avec, pour éventuelle conséquence, une transmission de ces souches aux personnes résidant à proximité. Cette problématique est bien connue dans les élevages de porcs fréquemment colonisés par des SARM (Staphylococcus aureus résistant à la méticilline), qui sont transmis aux éleveurs. Les deux études analysées ci-dessous ont investigué cette problématique de dissémination des particules organiques dans l'environnement et les conséquences sur la santé des riverains. La première a étudié le lien entre le fait de résider à proximité de fermes d'élevage d'animaux et la prévalence de maladies respiratoires. La deuxième a étudié le risque de colonisation nasale par des SARM dans une population de vétérans vivant à proximité d'élevages intensifs de porcs.

Manipulating sex ratio to increase population growth: the example of the Lesser Kestrel

Small or decreasing populations call for emergency actions like, for example, captive breeding programs. Such programs aim at rapidly increasing population sizes in order to reduce the loss of genetic variability and to avoid possible Allee effects. The Lesser Kestrel Falco naumanni is one of the species that is currently supported in several captive breeding programs at various locations. Here, we model the demographic and genetic consequences of potential management strategies that are based on offspring sex ratio manipulation. Increased population growth could be achieved by manipulating female conditions and/or male attractiveness in the captive breeders and consequently shifting the offspring sex ratio towards more female offspring, which are then used for reintroduction. Fragmenting populations into wild-breeding and captive-breeding demes and manipulating population sex ratio both immediately increase the inbreeding coefficient in the next generation (i.e. decrease N-e) but may, in the long term, reduce the loss of genetic variability if population growth is restricted by the number of females. We use the Lesser Kestrel and the wealth of information that is available on this species to predict the long-term consequences of various kinds of sex-ratio manipulation. We find that, in our example and possibly in many other cases, a sex-ratio manipulation that seems realistic could have a beneficial effect on the captive breeding program. However, the possible long-term costs and benefits of such measures need to be carefully optimized.