Self-potentials in partially saturated media: the importance of explicit modeling of electrode effects

Self-potential (SP) data are of interest to vadose zone hydrology because of their direct sensitivity to water flow and ionic transport. There is unfortunately little consensus in the literature about how to best model SP data under partially saturated conditions, and different approaches (often supported by one laboratory data set alone) have been proposed. We argue that this lack of agreement can largely be traced to electrode effects that have not been properly taken into account. A series of drainage and imbibition experiments were considered in which we found that previously proposed approaches to remove electrode effects were unlikely to provide adequate corrections. Instead, we explicitly modeled the electrode effects together with classical SP contributions using a flow and transport model. The simulated data agreed overall with the observed SP signals and allowed decomposing the different signal contributions to analyze them separately. After reviewing other published experimental data, we suggest that most of them include electrode effects that have not been properly taken into account. Our results suggest that previously presented SP theory works well when considering the modeling uncertainties presently associated with electrode effects. Additional work is warranted to not only develop suitable electrodes for laboratory experiments but also to assure that associated electrode effects that appear inevitable in longer term experiments are predictable, so that they can be incorporated into the modeling framework.

quantiNemo: an individual-based program to simulate quantitative traits with explicit genetic architecture in a dynamic metapopulation.

quantiNemo is an individual-based, genetically explicit stochastic simulation program. It was developed to investigate the effects of selection, mutation, recombination and drift on quantitative traits with varying architectures in structured populations connected by migration and located in a heterogeneous habitat. quantiNemo is highly flexible at various levels: population, selection, trait(s) architecture, genetic map for QTL and/or markers, environment, demography, mating system, etc. quantiNemo is coded in C++ using an object-oriented approach and runs on any computer platform. Availability: Executables for several platforms, user's manual, and source code are freely available under the GNU General Public License at http://www2.unil.ch/popgen/softwares/quantinemo.

A spatially explicit life cycle inventory of the global textile chain

Life cycle analyses (LCA) approaches require adaptation to reflect the increasing delocalization of production to emerging countries. This work addresses this challenge by establishing a country-level, spatially explicit life cycle inventory (LCI). This study comprises three separate dimensions. The first dimension is spatial: processes and emissions are allocated to the country in which they take place and modeled to take into account local factors. Emerging economies China and India are the location of production, the consumption occurs in Germany, an Organisation for Economic Cooperation and Development country. The second dimension is the product level: we consider two distinct textile garments, a cotton T-shirt and a polyester jacket, in order to highlight potential differences in the production and use phases. The third dimension is the inventory composition: we track CO2, SO2, NO (x), and particulates, four major atmospheric pollutants, as well as energy use. This third dimension enriches the analysis of the spatial differentiation (first dimension) and distinct products (second dimension). We describe the textile production and use processes and define a functional unit for a garment. We then model important processes using a hierarchy of preferential data sources. We place special emphasis on the modeling of the principal local energy processes: electricity and transport in emerging countries. The spatially explicit inventory is disaggregated by country of location of the emissions and analyzed according to the dimensions of the study: location, product, and pollutant. The inventory shows striking differences between the two products considered as well as between the different pollutants considered. For the T-shirt, over 70% of the energy use and CO2 emissions occur in the consuming country, whereas for the jacket, more than 70% occur in the producing country. This reversal of proportions is due to differences in the use phase of the garments. For SO2, in contrast, over two thirds of the emissions occur in the country of production for both T-shirt and jacket. The difference in emission patterns between CO2 and SO2 is due to local electricity processes, justifying our emphasis on local energy infrastructure. The complexity of considering differences in location, product, and pollutant is rewarded by a much richer understanding of a global production-consumption chain. The inclusion of two different products in the LCI highlights the importance of the definition of a product's functional unit in the analysis and implications of results. Several use-phase scenarios demonstrate the importance of consumer behavior over equipment efficiency. The spatial emission patterns of the different pollutants allow us to understand the role of various energy infrastructure elements. The emission patterns furthermore inform the debate on the Environmental Kuznets Curve, which applies only to pollutants which can be easily filtered and does not take into account the effects of production displacement. We also discuss the appropriateness and limitations of applying the LCA methodology in a global context, especially in developing countries. Our spatial LCI method yields important insights in the quantity and pattern of emissions due to different product life cycle stages, dependent on the local technology, emphasizing the importance of consumer behavior. From a life cycle perspective, consumer education promoting air-drying and cool washing is more important than efficient appliances. Spatial LCI with country-specific data is a promising method, necessary for the challenges of globalized production-consumption chains. We recommend inventory reporting of final energy forms, such as electricity, and modular LCA databases, which would allow the easy modification of underlying energy infrastructure.

Multiple sclerosis decreases explicit counterfactual processing and risk taking in decision making.

INTRODUCTION: Deficits in decision making (DM) are commonly associated with prefrontal cortical damage, but may occur with multiple sclerosis (MS). There are no data concerning the impact of MS on tasks evaluating DM under explicit risk, where different emotional and cognitive components can be distinguished. METHODS: We assessed 72 relapsing-remitting MS (RRMS) patients with mild to moderate disease and 38 healthy controls in two DM tasks involving risk with explicit rules: (1) The Wheel of Fortune (WOF), which probes the anticipated affects of decisions outcomes on future choices; and (2) The Cambridge Gamble Task (CGT) which measures risk taking. Participants also underwent a neuropsychological and emotional assessment, and skin conductance responses (SCRs) were recorded. RESULTS: In the WOF, RRMS patients showed deficits in integrating positive counterfactual information (p<0.005) and greater risk aversion (p<0.001). They reported less negative affect than controls (disappointment: p = 0.007; regret: p = 0.01), although their implicit emotional reactions as measured by post-choice SCRs did not differ. In the CGT, RRMS patients differed from controls in quality of DM (p = 0.01) and deliberation time (p = 0.0002), the latter difference being correlated with attention scores. Such changes did not result in overall decreases in performance (total gains). CONCLUSIONS: The quality of DM under risk was modified by MS in both tasks. The reduction in the expression of disappointment coexisted with an increased risk aversion in the WOF and alexithymia features. These concomitant emotional alterations may have implications for better understanding the components of explicit DM and for the clinical support of MS patients.

Men perform comparably to women in a perspective taking task after administration of intranasal oxytocin but not after placebo

Oxytocin (OT) is thought to play an important role in human interpersonal information processing and behavior. By inference, OT should facilitate empathic responding, i.e. the ability to feel for others and to take their perspective. In two independent double-blind, placebo-controlled between-subjects studies, we assessed the effect of intranasally administered OT on affective empathy and perspective taking, whilst also examining potential sex differences (e.g., women being more empathic than men). In study 1, we provided 96 participants (48 men) with an empathy scenario and recorded self reports of empathic reactions to the scenario, while in study 2, a sample of 120 individuals (60 men) performed a computerized implicit perspective taking task. Whilst results from Study 1 showed no influence of OT on affective empathy, we found in Study 2 that OT exerted an effect on perspective taking ability in men. More specifically, men responded faster than women in the placebo group but they responded as slowly as women in the OT group. We conjecture that men in the OT group adopted a social perspective taking strategy, such as did women in both groups, but not men in the placebo group. On the basis of results across both studies, we suggest that self-report measures (such as used in Study 1) might be less sensitive to OT effects than more implicit measures of empathy such as that used in Study 2. If these assumptions are confirmed, one could infer that OT effects on empathic responses are more pronounced in men than women, and that any such effect is best studied using more implicit measures of empathy rather than explicit self-report measures.

Segmentation and Clustering of Textual Sequences: a Typological Approach

The long term goal of this research is to develop a program able to produce an automatic segmentation and categorization of textual sequences into discourse types. In this preliminary contribution, we present the construction of an algorithm which takes a segmented text as input and attempts to produce a categorization of sequences, such as narrative, argumentative, descriptive and so on. Also, this work aims at investigating a possible convergence between the typological approach developed in particular in the field of text and discourse analysis in French by Adam (2008) and Bronckart (1997) and unsupervised statistical learning.

Performances et défaillances du sujet cérébral : regard anthropologique sur la plasticité cérébrale, les neurosciences et la clinique de la dégénérescence cognitive

Introduction 1.1 Le sujet cérébral, rencontre entre le biologique et le social L'objectif de ce travail est d'éclairer une des voies par lesquelles le phénomène anthropologique de l'individualité prend corps au sein de l'environnement contemporain. L'individualisme est compris comme les divers processus par lesquels la détermination du sujet tend à s'autonomiser des appartenances préconstituées. Il est la forme sociologique qui gouverne la façon contemporaine de faire société depuis l'avènement de la «modernité ». Le choix de l'angle de la cérébralité pour aborder la question de recherche repose sur le postulat qu'une des particularités culturelles de la figure du sujet individuel contemporain est la tendance à attribuer aux mécanismes cérébraux le rôle déterminant dans la constitution de la subjectivité du sujet. Dès lors, si aujourd'hui, penser le cerveau c'est penser l'humain, il s'agit d'un phénomène anthropologique qui demande à être explicité. Il m'appartient de démontrer que le champ des neurosciences se profile comme révélateur privilégié pour observer comment penser l'individualité concorde avec l'établissement de vérités relatives au cérébral' . Faire l'anthropologie du proche et de l'actuel a ses intérêts mais comporte aussi des risques. La perte de ce qui faisait le moteur de la recherche anthropologique -l'altérité donnée des sujets de son observation - a été compensée par l'émergence de nouveaux objets de travail et par des reconfigurations des rapports que l'anthropologue entretient avec son terrain. Le renouvellement du cadre de réflexion opéré par l'anthropologie au cours du siècle écoulé suit les transformations des pratiques sociales, culturelles et économiques qui s'opèrent au niveau mondial. L'échelle désormais planétaire de la circulation des acteurs sociaux et des objets de savoir a forcé la discipline à revoir la grille de lecture qui a longtemps opposé sociétés traditionnelles à sociétés modernes. La prise de conscience de la caducité du grand partage a engagé les anthropologues à s'intéresser à des phénomènes en rapport avec des problèmes rencontrés au sein de leur propre collectif et, dans le même mouvement, les a amenée à repenser les articulations entre le global et le local, le particulier et l'universel. Le bouleversement heuristique généré par ce repositionnement n'est toutefois pas exempt de nouvelles difficultés pour la recherche ethnographique. En se posant le défi d'étudier des traits culturels propres à sa société d'appartenance, l'anthropologie s'ouvre à des terrains enquête sur la façon dont, dans le monde occidental, le constat toujours plus pesant de la discordance entre les phénomènes de vieillissement cognitif et l'allongement de l'espérance de vie est traité. Dans une démarche ethnographique, il s'agit de voir quelles sont les logiques d'action et les pratiques sociales développées en réponse à ces inadéquations. La thématique impose une navigation entre des domaines théoriques spécialisés et des champs d'activités possédant chacun leurs cadres de référence. Une telle entreprise suppose une multiplication des systèmes de référence devant être pris en compte. Toutes les disciplines approchées au cours de ce travail abondent en métaphores utiles à la mise en ordre de leur pensée et à la description de leurs objets de travail. Toutefois, faire résonner entre elles les différentes «cultures épistémiques » (Knorr-Cetina, 1999) pour mieux faire apparaître la trame sociale qui constitue leur arrière-fond équivaut souvent à forcer le trait. Le sens des mots varie selon leurs champs d'application et l'exercice de la mise en résonance peut s'avérer périlleux. Je me suis efforcée tout au long de ces pages de préciser de quel point de vue les énoncés considérés sont formulés. L'analyse anthropologique étant guidée par la recherche des points de liaison entre les différents registres, la démarche est forcément limitée dans le niveau d'approfondissement auquel elle peut tendre. Elle risque de décevoir les lecteurs experts dans les domaines soumis à la grille de lecture de cette discipline, non familiers avec les concepts anthropologiques. Il est probable qu'un certain flou subsiste dans la façon dont ces énoncés sont décris par rapport au traitement dont ils sont l'objet dans leurs disciplines respectives. Si on perd de vue la préoccupation centrale de l'anthropologie, consistant à éclairer le système de valeurs commun sous-tendant les pratiques sociales observées, la lecture d'un tel travail risque effectivement de rater son but. En revanche, en acceptant d'emblée de se prêter à un décentrement par rapport à son modèle disciplinaire, le lecteur doit pouvoir appréhender des aspects intéressant ses propres pratiques. S'intéresser à ce qui relie les savoirs et les pratiques au sein d'un monde commun, voilà un programme heuristique qui va à l'encontre de la logique de spécialisation.

Implicit attitudes and self-concepts towards transgression and aggression: Differences between male community and offender adolescents, and associations with psychopathic traits.

Research suggests that implicit attitudes play a key role in the occurrence of antisocial behaviours. This study assessed implicit attitudes and self-concepts related to aggression and transgression in community and offender adolescents, using a new set of Implicit Association Tests (IATs), and examined their association with of psychopathic traits. Thirty-six offenders and 66 community adolescents performed 4 IATs assessing 1) implicit attitudes about a) aggression and b) transgression as good, and 2) implicit self-concepts about a) aggression and b) transgression as self-descriptive. They filled in self-report questionnaires: the Youth Psychopathic Traits Inventory, the Child Behaviour Checklist, and explicit measures of their attitudes and self-concepts towards transgression and aggression. Results showed few differences between community and offender adolescents on implicit attitudes and self-concepts, and unexpected negative associations between some implicit attitudes and psychopathic traits, while the association was positive for the corresponding explicit attitudes. Possible explanations of these findings are discussed.

Sparse regularization for fiber ODF reconstruction: from the suboptimality of ℓ2 and ℓ1 priors to ℓ0.

Diffusion MRI is a well established imaging modality providing a powerful way to probe the structure of the white matter non-invasively. Despite its potential, the intrinsic long scan times of these sequences have hampered their use in clinical practice. For this reason, a large variety of methods have been recently proposed to shorten the acquisition times. Among them, spherical deconvolution approaches have gained a lot of interest for their ability to reliably recover the intra-voxel fiber configuration with a relatively small number of data samples. To overcome the intrinsic instabilities of deconvolution, these methods use regularization schemes generally based on the assumption that the fiber orientation distribution (FOD) to be recovered in each voxel is sparse. The well known Constrained Spherical Deconvolution (CSD) approach resorts to Tikhonov regularization, based on an ℓ(2)-norm prior, which promotes a weak version of sparsity. Also, in the last few years compressed sensing has been advocated to further accelerate the acquisitions and ℓ(1)-norm minimization is generally employed as a means to promote sparsity in the recovered FODs. In this paper, we provide evidence that the use of an ℓ(1)-norm prior to regularize this class of problems is somewhat inconsistent with the fact that the fiber compartments all sum up to unity. To overcome this ℓ(1) inconsistency while simultaneously exploiting sparsity more optimally than through an ℓ(2) prior, we reformulate the reconstruction problem as a constrained formulation between a data term and a sparsity prior consisting in an explicit bound on the ℓ(0)norm of the FOD, i.e. on the number of fibers. The method has been tested both on synthetic and real data. Experimental results show that the proposed ℓ(0) formulation significantly reduces modeling errors compared to the state-of-the-art ℓ(2) and ℓ(1) regularization approaches.

Violent adolescents and their educational environment : a multilevel analysis ; et, Youths carrying a weapon or using a weapon in a fight : what makes the difference ?

Rapport de synthèse : Cette recherche s'intéresse (1) au port et à l'utilisation d'armes chez les adolescents ainsi que (2) aux rôles des facteurs environnementaux et individuels dans la violence juvénile. Les données étaient tirés de SMASH 2002 (Swiss multicenter adolescent survey on health 2002), étude dans laquelle un échantillon représentatif de 7548 étudiants et apprentis âgés entre 16 et 20 ans vivant en Suisse ont été interrogés Dans une première étude, les adolescents ayant porté une arme (couteau, masse, coup de poing américain, pistolet/autre arme à feu, spray) durant l'année précédant l'enquête étaient comparés avec ceux n'ayant pas porté d'arme. Ensuite, dans le sous-échantillon de porteurs d'armes, ceux ayant uniquement porté l'arme étaient comparés avec ceux ayant utilisé une arme dans une bagarre. Des facteurs individuels, familiaux, scolaires et sociaux ont été étudiés à l'aide d'analyses bivariées et multivariées. 13.7% des jeunes vivant en Suisse ont porté une arme dans l'année précédant l'enquête. 6.2% des filles porteuses d'armes et 19.9% des garçons porteurs d'armes ont fait usage de l'arme dans une bagarre. Chez les garçons et chez les filles, les porteurs d'armes étaient plus souvent délinquants et victimes de violence physique. Les garçons porteurs d'armes étaient plus souvent des apprentis, à la recherche de sensations fortes, porteurs de tatouages, avaient une mauvaise relation avec leurs parents, étaient dans des bagarres sous l'influence de substances, et avaient des relations sexuelles à risque. En comparaison avec les porteuses d'armes, les filles utilisatrices d'armes étaient plus souvent fumeuses quotidiennes. Les garçons ayant utilisé leur arme étaient plus souvent nés à l'étranger, vivaient dans un milieu urbain, étaient des apprentis, avaient un mauvais contexte scolaire, avaient des relations sexuelles à risque et étaient impliqués dans des bagarres sous l'influence de substances. Nos résultats montrent que porter une arme est un comportement relativement fréquent chez les adolescents vivant en Suisse et qu'une proportion non négligeable de ces porteurs d'armes ont utilisé l'arme dans une bagarre. De ce fait, une discussion sur le port d'arme devrait être incluse dans l'entretien clinique ainsi que dans les programmes de prévention visant les adolescents. Dans une deuxième étude, la violence juvénile était définie comme présente si l'adolescent avait commis au moins un des quatre délits suivants durant l'année précédant l'enquête: attaquer un adulte, arracher ou voler quelque chose, porter une arme ou utiliser une arme dans une bagarre. Des niveaux écologiques étaient testés et résultaient en un modèle à trois niveaux pour les garçons (niveau individuel, niveau classe et niveau école) et, à cause d'une faible prévalence de la violence chez les filles, en un modèle à un niveau (individuel) pour les filles. Des variables dépendantes étaient attribuées à chaque niveau, en se basant sur la littérature. Le modèle multiniveaux des garçons montrait que le niveau école (10%) et le niveau classe (24%) comptaient pour plus d'un tiers de la variance inter-individuelle dans le comportement violent. Les facteurs associés à ce comportement chez les filles étaient être victime de violence physique et la recherche de sensations fortes. Pour les garçons, les facteurs explicatifs de la violence étaient pratiquer des relations sexuelles à risque, être à la recherche de sensations fortes, être victime de violence physique, avoir une mauvaise relation avec les parents, être déprimé et vivre dans une famille monoparentale au niveau individuel, la violence et les actes antisociaux au niveau de la classe et être apprenti au niveau de l'école. Des interventions au niveau de la classe ainsi qu'un règlement explicit en ce qui concerne la violence et d'autres comportements à risque dans des écoles devraient être prioritaires pour la prévention de la violence chez les adolescents. En outre, la prévention devrait tenir compte des différences entre les sexes.

Binding under Conflict Conditions: State-Space Analysis of Multivariate EEG Synchronization.

Real-world objects are often endowed with features that violate Gestalt principles. In our experiment, we examined the neural correlates of binding under conflict conditions in terms of the binding-by-synchronization hypothesis. We presented an ambiguous stimulus ("diamond illusion") to 12 observers. The display consisted of four oblique gratings drifting within circular apertures. Its interpretation fluctuates between bound ("diamond") and unbound (component gratings) percepts. To model a situation in which Gestalt-driven analysis contradicts the perceptually explicit bound interpretation, we modified the original diamond (OD) stimulus by speeding up one grating. Using OD and modified diamond (MD) stimuli, we managed to dissociate the neural correlates of Gestalt-related (OD vs. MD) and perception-related (bound vs. unbound) factors. Their interaction was expected to reveal the neural networks synchronized specifically in the conflict situation. The synchronization topography of EEG was analyzed with the multivariate S-estimator technique. We found that good Gestalt (OD vs. MD) was associated with a higher posterior synchronization in the beta-gamma band. The effect of perception manifested itself as reciprocal modulations over the posterior and anterior regions (theta/beta-gamma bands). Specifically, higher posterior and lower anterior synchronization supported the bound percept, and the opposite was true for the unbound percept. The interaction showed that binding under challenging perceptual conditions is sustained by enhanced parietal synchronization. We argue that this distributed pattern of synchronization relates to the processes of multistage integration ranging from early grouping operations in the visual areas to maintaining representations in the frontal networks of sensory memory.

On making causal claims: A review and recommendations

Social scientists often estimate models from correlational data, where the independent variable has not been exogenously manipulated; they also make implicit or explicit causal claims based on these models. When can these claims be made? We answer this question by first discussing design and estimation conditions under which model estimates can be interpreted, using the randomized experiment as the gold standard. We show how endogeneity--which includes omitted variables, omitted selection, simultaneity, common methods bias, and measurement error--renders estimates causally uninterpretable. Second, we present methods that allow researchers to test causal claims in situations where randomization is not possible or when causal interpretation is confounded, including fixed-effects panel, sample selection, instrumental variable, regression discontinuity, and difference-in-differences models. Third, we take stock of the methodological rigor with which causal claims are being made in a social sciences discipline by reviewing a representative sample of 110 articles on leadership published in the previous 10 years in top-tier journals. Our key finding is that researchers fail to address at least 66 % and up to 90 % of design and estimation conditions that make causal claims invalid. We conclude by offering 10 suggestions on how to improve non-experimental research.

Overuse and underuse of colonoscopy in a European primary care setting.

BACKGROUND: Efforts to decrease overuse of health care may result in underuse. Overuse and underuse of colonoscopy have never been simultaneously evaluated in the same patient population. METHODS: In this prospective observational study, the appropriateness and necessity of referral for colonoscopy were evaluated by using explicit criteria developed by a standardized expert panel method. Inappropriate referrals constituted overuse. Patients with necessary colonoscopy indications who were not referred constituted underuse. Consecutive ambulatory patients with lower gastrointestinal (GI) symptoms from 22 general practices in Switzerland, a country with ready access to colonoscopy, were enrolled during a 4-week period. Follow-up data were obtained at 3 months for patients who did not undergo a necessary colonoscopy. RESULTS: Eight thousand seven hundred sixty patient visits were screened for inclusion; 651 patients (7.4%) had lower GI symptoms (mean age 56.4 years, 68% women). Of these, 78 (12%) were referred for colonoscopy. Indications for colonoscopy in 11 patients (14% of colonoscopy referrals or 1.7% of all patients with lower GI symptoms) were judged inappropriate. Among 573 patients not referred for the procedure, underuse ranged between 11% and 28% of all patients with lower GI symptoms, depending on the criteria used. CONCLUSIONS: Applying criteria from an expert panel of nationally recognized experts indicates that underuse of referral for colonoscopy exceeds overuse in primary care in Switzerland. To improve quality of care, both overuse and underuse of important procedures must be addressed.

Understanding the low-temperature limitations to forest growth through calibration of a forest dynamics model with tree-ring data

The sensitivity of altitudinal and latitudinal tree-line ecotones to climate change, particularly that of temperature, has received much attention. To improve our understanding of the factors affecting tree-line position, we used the spatially explicit dynamic forest model TreeMig. Although well-suited because of its landscape dynamics functions, TreeMig features a parabolic temperature growth response curve, which has recently been questioned. and the species parameters are not specifically calibrated for cold temperatures. Our main goals were to improve the theoretical basis of the temperature growth response curve in the model and develop a method for deriving that curve's parameters from tree-ring data. We replaced the parabola with an asymptotic curve, calibrated for the main species at the subalpine (Swiss Alps: Pinus cembra, Larix decidua, Picea abies) and boreal (Fennoscandia: Pinus sylvestris, Betula pubescens, P. abies) tree-lines. After fitting new parameters, the growth curve matched observed tree-ring widths better. For the subalpine species, the minimum degree-day sum allowing, growth (kDDMin) was lowered by around 100 degree-days; in the case of Larix, the maximum potential ring-width was increased to 5.19 mm. At the boreal tree-line, the kDDMin for P. sylvestris was lowered by 210 degree-days and its maximum ring-width increased to 2.943 mm; for Betula (new in the model) kDDMin was set to 325 degree-days and the maximum ring-width to 2.51 mm; the values from the only boreal sample site for Picea were similar to the subalpine ones, so the same parameters were used. However, adjusting the growth response alone did not improve the model's output concerning species' distributions and their relative importance at tree-line. Minimum winter temperature (MinWiT, mean of the coldest winter month), which controls seedling establishment in TreeMig, proved more important for determining distribution. Picea, P. sylvestris and Betula did not previously have minimum winter temperature limits, so these values were set to the 95th percentile of each species' coldest MinWiT site (respectively -7, -11, -13). In a case study for the Alps, the original and newly calibrated versions of TreeMig were compared with biomass data from the National Forest Inventor), (NFI). Both models gave similar, reasonably realistic results. In conclusion, this method of deriving temperature responses from tree-rings works well. However, regeneration and its underlying factors seem more important for controlling species' distributions than previously thought. More research on regeneration ecology, especially at the upper limit of forests. is needed to improve predictions of tree-line responses to climate change further.

Species distribution models for conservation-oriented studies in Switzerland : filling data and tools gaps

SUMMARYSpecies distribution models (SDMs) represent nowadays an essential tool in the research fields of ecology and conservation biology. By combining observations of species occurrence or abundance with information on the environmental characteristic of the observation sites, they can provide information on the ecology of species, predict their distributions across the landscape or extrapolate them to other spatial or time frames. The advent of SDMs, supported by geographic information systems (GIS), new developments in statistical models and constantly increasing computational capacities, has revolutionized the way ecologists can comprehend species distributions in their environment. SDMs have brought the tool that allows describing species realized niches across a multivariate environmental space and predict their spatial distribution. Predictions, in the form of probabilistic maps showing the potential distribution of the species, are an irreplaceable mean to inform every single unit of a territory about its biodiversity potential. SDMs and the corresponding spatial predictions can be used to plan conservation actions for particular species, to design field surveys, to assess the risks related to the spread of invasive species, to select reserve locations and design reserve networks, and ultimately, to forecast distributional changes according to scenarios of climate and/or land use change.By assessing the effect of several factors on model performance and on the accuracy of spatial predictions, this thesis aims at improving techniques and data available for distribution modelling and at providing the best possible information to conservation managers to support their decisions and action plans for the conservation of biodiversity in Switzerland and beyond. Several monitoring programs have been put in place from the national to the global scale, and different sources of data now exist and start to be available to researchers who want to model species distribution. However, because of the lack of means, data are often not gathered at an appropriate resolution, are sampled only over limited areas, are not spatially explicit or do not provide a sound biological information. A typical example of this is data on 'habitat' (sensu biota). Even though this is essential information for an effective conservation planning, it often has to be approximated from land use, the closest available information. Moreover, data are often not sampled according to an established sampling design, which can lead to biased samples and consequently to spurious modelling results. Understanding the sources of variability linked to the different phases of the modelling process and their importance is crucial in order to evaluate the final distribution maps that are to be used for conservation purposes.The research presented in this thesis was essentially conducted within the framework of the Landspot Project, a project supported by the Swiss National Science Foundation. The main goal of the project was to assess the possible contribution of pre-modelled 'habitat' units to model the distribution of animal species, in particular butterfly species, across Switzerland. While pursuing this goal, different aspects of data quality, sampling design and modelling process were addressed and improved, and implications for conservation discussed. The main 'habitat' units considered in this thesis are grassland and forest communities of natural and anthropogenic origin as defined in the typology of habitats for Switzerland. These communities are mainly defined at the phytosociological level of the alliance. For the time being, no comprehensive map of such communities is available at the national scale and at fine resolution. As a first step, it was therefore necessary to create distribution models and maps for these communities across Switzerland and thus to gather and collect the necessary data. In order to reach this first objective, several new developments were necessary such as the definition of expert models, the classification of the Swiss territory in environmental domains, the design of an environmentally stratified sampling of the target vegetation units across Switzerland, the development of a database integrating a decision-support system assisting in the classification of the relevés, and the downscaling of the land use/cover data from 100 m to 25 m resolution.The main contributions of this thesis to the discipline of species distribution modelling (SDM) are assembled in four main scientific papers. In the first, published in Journal of Riogeography different issues related to the modelling process itself are investigated. First is assessed the effect of five different stepwise selection methods on model performance, stability and parsimony, using data of the forest inventory of State of Vaud. In the same paper are also assessed: the effect of weighting absences to ensure a prevalence of 0.5 prior to model calibration; the effect of limiting absences beyond the environmental envelope defined by presences; four different methods for incorporating spatial autocorrelation; and finally, the effect of integrating predictor interactions. Results allowed to specifically enhance the GRASP tool (Generalized Regression Analysis and Spatial Predictions) that now incorporates new selection methods and the possibility of dealing with interactions among predictors as well as spatial autocorrelation. The contribution of different sources of remotely sensed information to species distribution models was also assessed. The second paper (to be submitted) explores the combined effects of sample size and data post-stratification on the accuracy of models using data on grassland distribution across Switzerland collected within the framework of the Landspot project and supplemented with other important vegetation databases. For the stratification of the data, different spatial frameworks were compared. In particular, environmental stratification by Swiss Environmental Domains was compared to geographical stratification either by biogeographic regions or political states (cantons). The third paper (to be submitted) assesses the contribution of pre- modelled vegetation communities to the modelling of fauna. It is a two-steps approach that combines the disciplines of community ecology and spatial ecology and integrates their corresponding concepts of habitat. First are modelled vegetation communities per se and then these 'habitat' units are used in order to model animal species habitat. A case study is presented with grassland communities and butterfly species. Different ways of integrating vegetation information in the models of butterfly distribution were also evaluated. Finally, a glimpse to climate change is given in the fourth paper, recently published in Ecological Modelling. This paper proposes a conceptual framework for analysing range shifts, namely a catalogue of the possible patterns of change in the distribution of a species along elevational or other environmental gradients and an improved quantitative methodology to identify and objectively describe these patterns. The methodology was developed using data from the Swiss national common breeding bird survey and the article presents results concerning the observed shifts in the elevational distribution of breeding birds in Switzerland.The overall objective of this thesis is to improve species distribution models as potential inputs for different conservation tools (e.g. red lists, ecological networks, risk assessment of the spread of invasive species, vulnerability assessment in the context of climate change). While no conservation issues or tools are directly tested in this thesis, the importance of the proposed improvements made in species distribution modelling is discussed in the context of the selection of reserve networks.RESUMELes modèles de distribution d'espèces (SDMs) représentent aujourd'hui un outil essentiel dans les domaines de recherche de l'écologie et de la biologie de la conservation. En combinant les observations de la présence des espèces ou de leur abondance avec des informations sur les caractéristiques environnementales des sites d'observation, ces modèles peuvent fournir des informations sur l'écologie des espèces, prédire leur distribution à travers le paysage ou l'extrapoler dans l'espace et le temps. Le déploiement des SDMs, soutenu par les systèmes d'information géographique (SIG), les nouveaux développements dans les modèles statistiques, ainsi que la constante augmentation des capacités de calcul, a révolutionné la façon dont les écologistes peuvent comprendre la distribution des espèces dans leur environnement. Les SDMs ont apporté l'outil qui permet de décrire la niche réalisée des espèces dans un espace environnemental multivarié et prédire leur distribution spatiale. Les prédictions, sous forme de carte probabilistes montrant la distribution potentielle de l'espèce, sont un moyen irremplaçable d'informer chaque unité du territoire de sa biodiversité potentielle. Les SDMs et les prédictions spatiales correspondantes peuvent être utilisés pour planifier des mesures de conservation pour des espèces particulières, pour concevoir des plans d'échantillonnage, pour évaluer les risques liés à la propagation d'espèces envahissantes, pour choisir l'emplacement de réserves et les mettre en réseau, et finalement, pour prévoir les changements de répartition en fonction de scénarios de changement climatique et/ou d'utilisation du sol. En évaluant l'effet de plusieurs facteurs sur la performance des modèles et sur la précision des prédictions spatiales, cette thèse vise à améliorer les techniques et les données disponibles pour la modélisation de la distribution des espèces et à fournir la meilleure information possible aux gestionnaires pour appuyer leurs décisions et leurs plans d'action pour la conservation de la biodiversité en Suisse et au-delà. Plusieurs programmes de surveillance ont été mis en place de l'échelle nationale à l'échelle globale, et différentes sources de données sont désormais disponibles pour les chercheurs qui veulent modéliser la distribution des espèces. Toutefois, en raison du manque de moyens, les données sont souvent collectées à une résolution inappropriée, sont échantillonnées sur des zones limitées, ne sont pas spatialement explicites ou ne fournissent pas une information écologique suffisante. Un exemple typique est fourni par les données sur 'l'habitat' (sensu biota). Même s'il s'agit d'une information essentielle pour des mesures de conservation efficaces, elle est souvent approximée par l'utilisation du sol, l'information qui s'en approche le plus. En outre, les données ne sont souvent pas échantillonnées selon un plan d'échantillonnage établi, ce qui biaise les échantillons et par conséquent les résultats de la modélisation. Comprendre les sources de variabilité liées aux différentes phases du processus de modélisation s'avère crucial afin d'évaluer l'utilisation des cartes de distribution prédites à des fins de conservation.La recherche présentée dans cette thèse a été essentiellement menée dans le cadre du projet Landspot, un projet soutenu par le Fond National Suisse pour la Recherche. L'objectif principal de ce projet était d'évaluer la contribution d'unités 'd'habitat' pré-modélisées pour modéliser la répartition des espèces animales, notamment de papillons, à travers la Suisse. Tout en poursuivant cet objectif, différents aspects touchant à la qualité des données, au plan d'échantillonnage et au processus de modélisation sont abordés et améliorés, et leurs implications pour la conservation des espèces discutées. Les principaux 'habitats' considérés dans cette thèse sont des communautés de prairie et de forêt d'origine naturelle et anthropique telles que définies dans la typologie des habitats de Suisse. Ces communautés sont principalement définies au niveau phytosociologique de l'alliance. Pour l'instant aucune carte de la distribution de ces communautés n'est disponible à l'échelle nationale et à résolution fine. Dans un premier temps, il a donc été nécessaire de créer des modèles de distribution de ces communautés à travers la Suisse et par conséquent de recueillir les données nécessaires. Afin d'atteindre ce premier objectif, plusieurs nouveaux développements ont été nécessaires, tels que la définition de modèles experts, la classification du territoire suisse en domaines environnementaux, la conception d'un échantillonnage environnementalement stratifié des unités de végétation cibles dans toute la Suisse, la création d'une base de données intégrant un système d'aide à la décision pour la classification des relevés, et le « downscaling » des données de couverture du sol de 100 m à 25 m de résolution. Les principales contributions de cette thèse à la discipline de la modélisation de la distribution d'espèces (SDM) sont rassemblées dans quatre articles scientifiques. Dans le premier article, publié dans le Journal of Biogeography, différentes questions liées au processus de modélisation sont étudiées en utilisant les données de l'inventaire forestier de l'Etat de Vaud. Tout d'abord sont évalués les effets de cinq méthodes de sélection pas-à-pas sur la performance, la stabilité et la parcimonie des modèles. Dans le même article sont également évalués: l'effet de la pondération des absences afin d'assurer une prévalence de 0.5 lors de la calibration du modèle; l'effet de limiter les absences au-delà de l'enveloppe définie par les présences; quatre méthodes différentes pour l'intégration de l'autocorrélation spatiale; et enfin, l'effet de l'intégration d'interactions entre facteurs. Les résultats présentés dans cet article ont permis d'améliorer l'outil GRASP qui intègre désonnais de nouvelles méthodes de sélection et la possibilité de traiter les interactions entre variables explicatives, ainsi que l'autocorrélation spatiale. La contribution de différentes sources de données issues de la télédétection a également été évaluée. Le deuxième article (en voie de soumission) explore les effets combinés de la taille de l'échantillon et de la post-stratification sur le la précision des modèles. Les données utilisées ici sont celles concernant la répartition des prairies de Suisse recueillies dans le cadre du projet Landspot et complétées par d'autres sources. Pour la stratification des données, différents cadres spatiaux ont été comparés. En particulier, la stratification environnementale par les domaines environnementaux de Suisse a été comparée à la stratification géographique par les régions biogéographiques ou par les cantons. Le troisième article (en voie de soumission) évalue la contribution de communautés végétales pré-modélisées à la modélisation de la faune. C'est une approche en deux étapes qui combine les disciplines de l'écologie des communautés et de l'écologie spatiale en intégrant leurs concepts de 'habitat' respectifs. Les communautés végétales sont modélisées d'abord, puis ces unités de 'habitat' sont utilisées pour modéliser les espèces animales. Une étude de cas est présentée avec des communautés prairiales et des espèces de papillons. Différentes façons d'intégrer l'information sur la végétation dans les modèles de répartition des papillons sont évaluées. Enfin, un clin d'oeil aux changements climatiques dans le dernier article, publié dans Ecological Modelling. Cet article propose un cadre conceptuel pour l'analyse des changements dans la distribution des espèces qui comprend notamment un catalogue des différentes formes possibles de changement le long d'un gradient d'élévation ou autre gradient environnemental, et une méthode quantitative améliorée pour identifier et décrire ces déplacements. Cette méthodologie a été développée en utilisant des données issues du monitoring des oiseaux nicheurs répandus et l'article présente les résultats concernant les déplacements observés dans la distribution altitudinale des oiseaux nicheurs en Suisse.L'objectif général de cette thèse est d'améliorer les modèles de distribution des espèces en tant que source d'information possible pour les différents outils de conservation (par exemple, listes rouges, réseaux écologiques, évaluation des risques de propagation d'espèces envahissantes, évaluation de la vulnérabilité des espèces dans le contexte de changement climatique). Bien que ces questions de conservation ne soient pas directement testées dans cette thèse, l'importance des améliorations proposées pour la modélisation de la distribution des espèces est discutée à la fin de ce travail dans le contexte de la sélection de réseaux de réserves.