War Signals: A Theory of Trade, Trust and Conflict

We construct a dynamic theory of civil conflict hinging on inter-ethnic trust and trade. The model economy is inhabitated by two ethnic groups. Inter-ethnic trade requires imperfectly observed bilateral investments and one group has to form beliefs on the average propensity to trade of the other group. Since conflict disrupts trade, the onset of a conflict signals that the aggressor has a low propensity to trade. Agents observe the history of conflicts and update their beliefs over time, transmitting them to the next generation. The theory bears a set of testable predictions. First, war is a stochastic process whose frequency depends on the state of endogenous beliefs. Second, the probability of future conflicts increases after each conflict episode. Third, "accidental" conflicts that do not reflect economic fundamentals can lead to a permanent breakdown of trust, plunging a society into a vicious cycle of recurrent conflicts (a war trap). The incidence of conflict can be reduced by policies abating cultural barriers, fostering inter-ethnic trade and human capital, and shifting beliefs. Coercive peace policies such as peacekeeping forces or externally imposed regime changes have instead no persistent effects.

Conflict resolution and evolution of social structures in insect societies

In colonies of social Hymenoptera (which include all ants, as well as some wasp and bee species), only queens reproduce whereas workers generally perform other tasks. The evolution of worker's reproductive altruism can be explained by kin selection, which states that workers can indirectly transmit copies of their genes by helping the reproduction of relatives. The relatedness between queens and workers may however be low, particularly when there are multiple queens per colony, which limits the transmission of copies of workers genes and increases potential conflicts between colony members. In this thesis, we investigated the link between social structure variations and conflicts, and explored the mechanisms involved in variation of colony queen number in ants. According to kin selection, workers should rear the brood they are most related to. In social Hymenoptera, males are haploid whereas females (workers and queens) are diploid. As a result, workers can be up to three times more related to females than males in some colonies, where they should consequently favour the production of females. In contrast, queens are equally related to daughters and sons in all types of colonies and therefore should favour a balanced sex ratio. In a meta-analysis across all studies of social Hymenoptera, we showed that colony sex ratio is generally largely influenced by workers. Hence, the evolution of social structures where queens and workers are equally related to males and females may contribute to decrease the conflict between the two castes over colony sex ratio. Another conflict between queens and workers can occur over male production. Many species contain workers that still have the ability to lay haploid eggs. In some social structures, workers are on average more related to sons of queens than to sons of other workers. As a result, workers should eliminate worker-laid eggs to favour queen-laid eggs. We showed that in the ant Formica selysi, workers eliminate more worker-laid than queen-laid eggs, independently of colony social structure. These results therefore suggest that worker policing can evolve independently from relatedness, potentially because of costs of worker reproduction at the colony-level. Colony queen number is a key parameter that influences relatedness between group members. Queen body size is generally linked to the success of independent colony foundation by single queens and may influence the number of queens in the new colony. In the ant F. selysi, single-queen colonies produce larger queens than multiple-queen colonies. We showed that this association results from genes or maternal effects transmitted to the eggs. However, we also found that queens produced in colonies of the two social forms did not differ in their general ability to found new colonies independently. Queen body size may also influence queen dispersal ability and constrain small queens to be re-adopted in their original nest after mating at proximity. We tested the acceptance of new queens in another ant species, Formica paralugubris, which has numerous queens per colony. Our results show that workers do not discriminate between nestmate and foreign queens, and more generally accept new queens at a limited rate. To conclude, this thesis shows that mechanisms influencing variation in colony queen number and the influence of these changes on conflict resolution are complex. Data gathered in this thesis therefore constitute a solid background for further research on the evolution and the maintenance of complex organisations in insect societies.

Tree line shifts in the Swiss Alps: Climate change or land abandonment?

Questions: Did the forest area in the Swiss Alps increase between 1985 and 1997? Does the forest expansion near the tree line represent an invasion into abandoned grasslands (ingrowth) or a true upward shift of the local tree line? What land cover / land use classes did primarily regenerate to forest, and what forest structural types did primarily regenerate? And, what are possible drivers of forest regeneration in the tree line ecotone, climate and/or land use change? Location: Swiss Alps. Methods: Forest expansion was quantified using data from the repeated Swiss land use statistics GEOSTAT. A moving window algorithm was developed to distinguish between forest ingrowth and upward shift. To test a possible climate change influence, the resulting upward shifts were compared to a potential regional tree line. Results: A significant increase of forest cover was found between 1650 to and 2450 m. Above 1650 m, 10% of the new forest areas were identified as true upward shifts whereas 90% represented ingrowth, and we identified both land use and climate change as likely drivers. Most upward shift activities were found to occur within a band of 300 m below the potential regional tree line, indicating land use as the most likely driver. Only 4% of the upward shifts were identified to rise above the potential regional tree line, thus indicating climate change. Conclusions: Land abandonment was the most dominant driver for the establishment of new forest areas, even at the tree line ecotone. However, a small fraction of upwards shift can be attributed to the recent climate warming, a fraction that is likely to increase further if climate continues to warm, and with a longer time-span between warming and measurement of forest cover.

Characterization of 13 polymorphic microsatellite loci for two land snail species, Trochulus villosus and T. sericeus (Gastropoda: Pulmonata: Hygromiidae).

Thirteen new microsatellite loci were isolated and tested on two land snail species, Trochulus villosus and T. sericeus (Pulmonata: Hygromiidae), resulting in a set of eight polymorphic markers for each species. The expected heterozygosity was high for all loci and species (between 0.616 and 0.944). Such levels of variability will allow detailed insights into the population genetic structure of some Trochulus species.

Making land-use fit to planning goals. Weaknesses and opportunities within the Swiss land management regime

In Switzerland, the issue of land consumption has made it to the front of the political agenda in recent years. Studies conducted on a national level have concluded that there is an excess of land zoned for construction (ARE, 2008), which is seen as contributing to urban sprawl. This situation is looked upon as a failure of the Federal Law on Spatial Planning (LAT, 1979) and there is a political push to change it in order to reinforce zoning regulations. In this article, we look on the issue from a different angle. While there may be large quantities of land zoned for construction, in many urban areas land actually available for development is scarce. Building on the idea that planning's efficiency is linked to its capacity of influencing actual land-use, we focus on how this situation can be dealt with within the current Swiss institutional context.

Pastoral conflict and resource management in Ethiopia's Somali region

RESUME L'objectif de cette thèse est d'approfondir la compréhension de la transformation des conflits liés à l'utilisation et la répartition des ressources foncières, de l'eau ainsi que des ressources politiques en région aride ou semi-aride. Cette thèse se concentre en particulier sur la façon dont les acteurs et les institutions résolvent les conflits dans un espace dominé par un mode de vie pastoral au sein des pays de la Corne de l'Afrique. Celle-ci réunit des zones périphériques mal contrôlée et caractérisée par une faible administration publique qui coexiste avec des instances coutumières et d'autres autorités. Le cas de la région Somali d'Ethiopie (ou Ogaden) nous démontre que les disputes et les pratiques de gestion des conflits existantes sont encastrées dans les normes, les politiques et les relations de pouvoir locales. Par conséquent, ce travail réfute le déterminisme causal de la littérature des conflits dits environnementaux en soulignant l'existence d'une vaste palette de stratégies de résolution des conflits. Il démontre empiriquement la capacité des éleveurs, des paysans et d'autres utilisateurs de ressources en propriété commune («common- pool resources », CPRs) à coopérer plutôt qu'à se disputer. De la même façon, la préférence idéologique de la plupart des études sur les CPRS pour des groupes d'utilisateurs homogènes et des systèmes de ressources d'utilisation simple est remise en question. En effet, l'existence de multiples ressources naturelles et politiques dans la région Somali d'Ethiopie justifie cette remise en cause. En soulignant l'économie politique dans laquelle se situent les conflits pastoraux et leur gestion cette thèse critique l'approche dépolitisée sur l'utilisation des ressources en propriété commune ainsi que les perspectives technocratiques sur les processus de construction des institutions. Les résultats de recherche marquent le rôle central et souvent inattendu de l'état dans la formation des conflits et la gestion des ressources dans sa périphérie pastorale. Avec |'introduction du fédéralisme ethnique éthiopien et la décentralisation administrative, la construction de l'état à pris une tournure nouvelle dans la région Somali depuis |991 - la période analysée dans cette étude. Ce processus fut accompagné de trois dynamiques parallèles (1) L'expansion des ressources étatiques dans les zones rurales les plus reculées, (2) la politisation des liens de parenté et (3) la redéfinition de la relation entre l'homme et son environnement naturel. En ce qui concerne l'atténuation des conflits, la thèse révèle que le rôle de l'état est spatialement différentié, que l'incorporation des autorités coutumières dans les gouvernements locaux est politiquement ambiguë, et que l'appui sur les lois coutumières ne « gèle » pas forcement les traditions. Les institutions mixtes qui allient règles coutumières et bureaucratiques sont souvent efficaces dans la gestion et la résolution des conflits liés aux ressources en milieu rural, mais pas dans la prévention et la transformation de ces conflits sur le long terme. En ce qui concerne la gestion des ressources, l'étude souligne le fait que les politiques publiques institutionnelles qui ignorent les variations saisonnières de l'utilisation des ressources, la multiplicité des revendications par les utilisateurs des ressources et les droits de propriété non exclusif ne font qu'aggraver des tensions entre divers groupes plutôt que de les atténuer. C'est précisèrent le cas de la décentralisation selon la logique « ethnique » de l'Ethiopie et d'autres politiques publiques sectorielles dont le but est de promouvoir la sédentarisation en incitant les groupes pastoraux à réclamer et occuper les territoires de manière permanente. En conclusion, cette thèse insiste sur (1) l'importance du renforcement du système de régulation au sein du régime institutionnel de ressources pastorales, (2) l'élaboration de nouvelles normes qui produisent des arrangements fonciers reconnus à la fois par les communautés et l'état, (3) la conception de politique publiques qui prennent en compte le périmètre des écosystèmes en place plutôt que des entités ethniques ou politiques et (4) le besoin d'un processus de démocratisation des projets de développement et de la représentation politique en périphéries semi-aride. L'étude est composée des chapitres suivants. Le chapitre 1 introduit les éléments clés des systèmes d'élevage dans la Corne de l'Afrique et les transitions économiques, écologiques et politiques dans lesquelles se situe le pastoralisme nomade. Quelques thèmes récurrents sont ici résumés dont le déclin des économies de cheptel, l'érosion de la gestion des terres arides et l'expansion de l'insécurité physique. Le chapitre 2 dissèque de manière critique le concept de conflit environnemental et les théories de la propriété commune en tant qu'explications théoriques des conflits dits pastoraux. Tandis que le premier décrit la violence comme une réaction à la raréfaction des ressources naturelles due aux pressions démographiques et au changement climatique, les secondes considèrent les confits comme l'expression d'un échec institutionnel de droits de propriété insuffisamment définis. Ce chapitre expose les défauts de ces deux explications et propose une approche alternative qui tient compte des relations de pouvoir, des institutions de gestion des conflits et des ressources naturelles, et de l'écologie non-équilibrée des régions arides. Le chapitre 3 élabore un cadre conceptuel qui rassemble des perspectives empruntées à la littérature portant sur la gestion des ressources naturelles, les techniques de médiation des conflits, les nouvelles théories « new range ecology » et les régimes institutionnels de ressources naturelles. Trois hypothèses décrivent les conditions requises pour prévenir, résoudre ou transformer les conflits liés à l'utilisation multiple des ressources dans les zones pastorales. Elles concernent (1) l'inclusion de partis tiers dans les processus de gestion de confits, (2) l'intégration de règles bureaucratiques et coutumières dans la gestion des ressources et des conflits et (3) le régime institutionnel de ressources naturelles qui concilie des revendications multiples aux ressources CPRs de manière flexible et inclusive. Le chapitre 4 présente les méthodes et la philosophie de recherche qui sous-tendent l'argumentation et l'analyse de la thèse. Il détaille l'opérationnalisation du cadre conceptuel et la sélection des études de cas, le processus de collecte des données et se penche sur les expériences de recherches de terrain de l'auteur. Le chapitre 5 décrit les conflits fonciers dans le district de Harshin où une expansion incontrôlée de clôtures des pâturages a encouragé la prolifération de conflits violents parmi les éleveurs Isaaq depuis la fin des années 1980. L'hétérogénéisation de l'utilisation des ressources, la multiplication des règles de gestion et l'incapacité des anciens à imposer un retour à la propriété commune des pâturages sont les points centraux de cette étude de cas. Le chapitre 6 passe en revue la compétition féroce autour de l'eau le long de la berge très peuplée et fertile du Wabi Shabelle dans le district de K'elafo. L'étude de cas reflète les interactions généalogiques complexes entre les groupes "nobles" et les « communs », la dépendance des cultivateurs Rer Barre du capital et de la technologie, pour les pompes à eaux par exemple, et l'importance continue des pratiques coutumières de gestion de l'agriculture. Le chapitre 7 démontre les rivalités autour du gâteau fiscal dans la capitale de la région Somali, Jijiga, où les partis politiques, les anciens claniques et les technocrates manoeuvrent pour le partage du pouvoir et des positions au sein de l'administration régionale. L'étude de cas rend compte de l'usage politisé du budget public, de l'expansion des ressources étatiques dans les zones rurales à travers la décentralisation, et de l'importance des agents intermédiaires entre les niveaux fédéral, régional et local dans l'allocation des ressources. Le chapitre 8 analyse les rôles et contributions respectifs des anciens et des acteurs étatiques dans la gestion de conflits violents entre les différents groupes dans la région Somali. En révélant les points forts et faibles des processus de paix basés sur les compensations de sang, ce chapitre propose une appréciation nuancée de la proposition (1) concernant l'inclusion de partis tiers dans la gestion de conflit. Le chapitre conclut en soulignant les contradictions et les effets associés à la délégation aux autorités coutumières par l'état Ethiopien de la résolution des conflits et de la maintenance de la sécurité. Le chapitre 9 se concentre sur l'impact des projets de développement financés par l'état et des politiques publiques qui régulent la propriété des terres communes dans les régions pastorales de l'Ethiopie. Ni les politiques publiques sectorielles existantes ni les principes institutionnels du fédéralisme ethnique ne reconnaissent les revendications et utilisations multiples qui se font des ressources dans la région aride et semi- aride, ce qui valide la proposition (3) sur le besoin d'un régime institutionnel de ressources différencié et flexible. Le chapitre attire l'attention sur les aspects contre-productifs d'une administration et d'une représentation politique basées sur un concept territorial, ce qui encourage une occupation permanente des ressources pour des bénéfices politiques. Le chapitre 10 conclut en évaluant la proposition (2) qui concerne l'efficacité de la gestion et de la transformation des conflits basés sur l'intégration des règles et lois coutumières et bureaucratiques. Ce chapitre souligne le rôle controversé mais décisif de la construction et de l'expansion graduelle de l'état dans les périphéries pastorales. Finalement, quelques recommandations sont proposées en vue de l'amélioration de la gestion des conflits et des ressources en milieu pastoral clans la région Somali et des espaces comparables dans la Corne de l'Afrique.

Queen-worker conflict over sex ratio: a comparison of primary and secondary sex ratios in the Argentine ant,

We compare the primary sex ratio (proportion o haploid eggs laid by queens) and the secondary sex ratio (proportion of male pupae produced) in the Argentine ant Iridomyrmex humilis with the aim of investigating whether workers control the secondary sex ratio by selectively eliminating male brood. The proportion of haploid eggs produced by queens was close to 0.5 in late winter, decreased to less than 0.3 in spring and summer, and increased again to a value close to 0.5 in fall. Laboratory experiments indicate that temperture is a proximate factor influencing the primary sex ratio with a higher proportion of haploid eggs being laid at colder temperatures. Production of queen pupae ceased in mid-June, about three weeks before that of male pupae. After this time only worker pupae were produced. During the period of production of sexuals, the proportion of male pupae ranged from 0.30 to 0.38. Outside this period no males were reared although haploid eggs were produced all the year round by queens. Workers thus exert a control on the secondary sex ratio by eliminating a proportion of the male brood during the period of sexual production and eliminating all the males during the remainder of the cycle. These data are consistent with workers preferring a more female-biased sex ratio than queens. The evolutionary significance of the production of male eggs by queens all the year round is as yet unclear. It may be a mechanism allowing queen replacement in the case of the death of the queens in the colony.

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.

Domain Adaptation in remote sensing: increasing the portability of land-cover classifiers

Among the types of remote sensing acquisitions, optical images are certainly one of the most widely relied upon data sources for Earth observation. They provide detailed measurements of the electromagnetic radiation reflected or emitted by each pixel in the scene. Through a process termed supervised land-cover classification, this allows to automatically yet accurately distinguish objects at the surface of our planet. In this respect, when producing a land-cover map of the surveyed area, the availability of training examples representative of each thematic class is crucial for the success of the classification procedure. However, in real applications, due to several constraints on the sample collection process, labeled pixels are usually scarce. When analyzing an image for which those key samples are unavailable, a viable solution consists in resorting to the ground truth data of other previously acquired images. This option is attractive but several factors such as atmospheric, ground and acquisition conditions can cause radiometric differences between the images, hindering therefore the transfer of knowledge from one image to another. The goal of this Thesis is to supply remote sensing image analysts with suitable processing techniques to ensure a robust portability of the classification models across different images. The ultimate purpose is to map the land-cover classes over large spatial and temporal extents with minimal ground information. To overcome, or simply quantify, the observed shifts in the statistical distribution of the spectra of the materials, we study four approaches issued from the field of machine learning. First, we propose a strategy to intelligently sample the image of interest to collect the labels only in correspondence of the most useful pixels. This iterative routine is based on a constant evaluation of the pertinence to the new image of the initial training data actually belonging to a different image. Second, an approach to reduce the radiometric differences among the images by projecting the respective pixels in a common new data space is presented. We analyze a kernel-based feature extraction framework suited for such problems, showing that, after this relative normalization, the cross-image generalization abilities of a classifier are highly increased. Third, we test a new data-driven measure of distance between probability distributions to assess the distortions caused by differences in the acquisition geometry affecting series of multi-angle images. Also, we gauge the portability of classification models through the sequences. In both exercises, the efficacy of classic physically- and statistically-based normalization methods is discussed. Finally, we explore a new family of approaches based on sparse representations of the samples to reciprocally convert the data space of two images. The projection function bridging the images allows a synthesis of new pixels with more similar characteristics ultimately facilitating the land-cover mapping across images.

Modelling tree population dynamics at the alpine and boreal tree-line ecotones in response to climate and land-use change

Summary Ecotones are sensitive to change because they contain high numbers of species living at the margin of their environmental tolerance. This is equally true of tree-lines, which are determined by attitudinal or latitudinal temperature gradients. In the current context of climate change, they are expected to undergo modifications in position, tree biomass and possibly species composition. Attitudinal and latitudinal tree-lines differ mainly in the steepness of the underlying temperature gradient: distances are larger at latitudinal tree-lines, which could have an impact on the ability of tree species to migrate in response to climate change. Aside from temperature, tree-lines are also affected on a more local level by pressure from human activities. These are also changing as a consequence of modifications in our societies and may interact with the effects of climate change. Forest dynamics models are often used for climate change simulations because of their mechanistic processes. The spatially-explicit model TreeMig was used as a base to develop a model specifically tuned for the northern European and Alpine tree-line ecotones. For the latter, a module for land-use change processes was also added. The temperature response parameters for the species in the model were first calibrated by means of tree-ring data from various species and sites at both tree-lines. This improved the growth response function in the model, but also lead to the conclusion that regeneration is probably more important than growth for controlling tree-line position and species' distributions. The second step was to implement the module for abandonment of agricultural land in the Alps, based on an existing spatial statistical model. The sensitivity of its most important variables was tested and the model's performance compared to other modelling approaches. The probability that agricultural land would be abandoned was strongly influenced by the distance from the nearest forest and the slope, bath of which are proxies for cultivation costs. When applied to a case study area, the resulting model, named TreeMig-LAb, gave the most realistic results. These were consistent with observed consequences of land-abandonment such as the expansion of the existing forest and closing up of gaps. This new model was then applied in two case study areas, one in the Swiss Alps and one in Finnish Lapland, under a variety of climate change scenarios. These were based on forecasts of temperature change over the next century by the IPCC and the HadCM3 climate model (ΔT: +1.3, +3.5 and +5.6 °C) and included a post-change stabilisation period of 300 years. The results showed radical disruptions at both tree-lines. With the most conservative climate change scenario, species' distributions simply shifted, but it took several centuries reach a new equilibrium. With the more extreme scenarios, some species disappeared from our study areas (e.g. Pinus cembra in the Alps) or dwindled to very low numbers, as they ran out of land into which they could migrate. The most striking result was the lag in the response of most species, independently from the climate change scenario or tree-line type considered. Finally, a statistical model of the effect of reindeer (Rangifer tarandus) browsing on the growth of Pinus sylvestris was developed, as a first step towards implementing human impacts at the boreal tree-line. The expected effect was an indirect one, as reindeer deplete the ground lichen cover, thought to protect the trees against adverse climate conditions. The model showed a small but significant effect of browsing, but as the link with the underlying climate variables was unclear and the model was not spatial, it was not usable as such. Developing the TreeMig-LAb model allowed to: a) establish a method for deriving species' parameters for the growth equation from tree-rings, b) highlight the importance of regeneration in determining tree-line position and species' distributions and c) improve the integration of social sciences into landscape modelling. Applying the model at the Alpine and northern European tree-lines under different climate change scenarios showed that with most forecasted levels of temperature increase, tree-lines would suffer major disruptions, with shifts in distributions and potential extinction of some tree-line species. However, these responses showed strong lags, so these effects would not become apparent before decades and could take centuries to stabilise. Résumé Les écotones son sensibles au changement en raison du nombre élevé d'espèces qui y vivent à la limite de leur tolérance environnementale. Ceci s'applique également aux limites des arbres définies par les gradients de température altitudinaux et latitudinaux. Dans le contexte actuel de changement climatique, on s'attend à ce qu'elles subissent des modifications de leur position, de la biomasse des arbres et éventuellement des essences qui les composent. Les limites altitudinales et latitudinales diffèrent essentiellement au niveau de la pente des gradients de température qui les sous-tendent les distance sont plus grandes pour les limites latitudinales, ce qui pourrait avoir un impact sur la capacité des espèces à migrer en réponse au changement climatique. En sus de la température, la limite des arbres est aussi influencée à un niveau plus local par les pressions dues aux activités humaines. Celles-ci sont aussi en mutation suite aux changements dans nos sociétés et peuvent interagir avec les effets du changement climatique. Les modèles de dynamique forestière sont souvent utilisés pour simuler les effets du changement climatique, car ils sont basés sur la modélisation de processus. Le modèle spatialement explicite TreeMig a été utilisé comme base pour développer un modèle spécialement adapté pour la limite des arbres en Europe du Nord et dans les Alpes. Pour cette dernière, un module servant à simuler des changements d'utilisation du sol a également été ajouté. Tout d'abord, les paramètres de la courbe de réponse à la température pour les espèces inclues dans le modèle ont été calibrées au moyen de données dendrochronologiques pour diverses espèces et divers sites des deux écotones. Ceci a permis d'améliorer la courbe de croissance du modèle, mais a également permis de conclure que la régénération est probablement plus déterminante que la croissance en ce qui concerne la position de la limite des arbres et la distribution des espèces. La seconde étape consistait à implémenter le module d'abandon du terrain agricole dans les Alpes, basé sur un modèle statistique spatial existant. La sensibilité des variables les plus importantes du modèle a été testée et la performance de ce dernier comparée à d'autres approches de modélisation. La probabilité qu'un terrain soit abandonné était fortement influencée par la distance à la forêt la plus proche et par la pente, qui sont tous deux des substituts pour les coûts liés à la mise en culture. Lors de l'application en situation réelle, le nouveau modèle, baptisé TreeMig-LAb, a donné les résultats les plus réalistes. Ceux-ci étaient comparables aux conséquences déjà observées de l'abandon de terrains agricoles, telles que l'expansion des forêts existantes et la fermeture des clairières. Ce nouveau modèle a ensuite été mis en application dans deux zones d'étude, l'une dans les Alpes suisses et l'autre en Laponie finlandaise, avec divers scénarios de changement climatique. Ces derniers étaient basés sur les prévisions de changement de température pour le siècle prochain établies par l'IPCC et le modèle climatique HadCM3 (ΔT: +1.3, +3.5 et +5.6 °C) et comprenaient une période de stabilisation post-changement climatique de 300 ans. Les résultats ont montré des perturbations majeures dans les deux types de limites de arbres. Avec le scénario de changement climatique le moins extrême, les distributions respectives des espèces ont subi un simple glissement, mais il a fallu plusieurs siècles pour qu'elles atteignent un nouvel équilibre. Avec les autres scénarios, certaines espèces ont disparu de la zone d'étude (p. ex. Pinus cembra dans les Alpes) ou ont vu leur population diminuer parce qu'il n'y avait plus assez de terrains disponibles dans lesquels elles puissent migrer. Le résultat le plus frappant a été le temps de latence dans la réponse de la plupart des espèces, indépendamment du scénario de changement climatique utilisé ou du type de limite des arbres. Finalement, un modèle statistique de l'effet de l'abroutissement par les rennes (Rangifer tarandus) sur la croissance de Pinus sylvestris a été développé, comme première étape en vue de l'implémentation des impacts humains sur la limite boréale des arbres. L'effet attendu était indirect, puisque les rennes réduisent la couverture de lichen sur le sol, dont on attend un effet protecteur contre les rigueurs climatiques. Le modèle a mis en évidence un effet modeste mais significatif, mais étant donné que le lien avec les variables climatiques sous jacentes était peu clair et que le modèle n'était pas appliqué dans l'espace, il n'était pas utilisable tel quel. Le développement du modèle TreeMig-LAb a permis : a) d'établir une méthode pour déduire les paramètres spécifiques de l'équation de croissance ä partir de données dendrochronologiques, b) de mettre en évidence l'importance de la régénération dans la position de la limite des arbres et la distribution des espèces et c) d'améliorer l'intégration des sciences sociales dans les modèles de paysage. L'application du modèle aux limites alpines et nord-européennes des arbres sous différents scénarios de changement climatique a montré qu'avec la plupart des niveaux d'augmentation de température prévus, la limite des arbres subirait des perturbations majeures, avec des glissements d'aires de répartition et l'extinction potentielle de certaines espèces. Cependant, ces réponses ont montré des temps de latence importants, si bien que ces effets ne seraient pas visibles avant des décennies et pourraient mettre plusieurs siècles à se stabiliser.