Treeline and climate change : analyzing and modeling patterns and shifts in the Swiss Alps

Summary: Global warming has led to an average earth surface temperature increase of about 0.7 °C in the 20th century, according to the 2007 IPCC report. In Switzerland, the temperature increase in the same period was even higher: 1.3 °C in the Northern Alps anal 1.7 °C in the Southern Alps. The impacts of this warming on ecosystems aspecially on climatically sensitive systems like the treeline ecotone -are already visible today. Alpine treeline species show increased growth rates, more establishment of young trees in forest gaps is observed in many locations and treelines are migrating upwards. With the forecasted warming, this globally visible phenomenon is expected to continue. This PhD thesis aimed to develop a set of methods and models to investigate current and future climatic treeline positions and treeline shifts in the Swiss Alps in a spatial context. The focus was therefore on: 1) the quantification of current treeline dynamics and its potential causes, 2) the evaluation and improvement of temperaturebased treeline indicators and 3) the spatial analysis and projection of past, current and future climatic treeline positions and their respective elevational shifts. The methods used involved a combination of field temperature measurements, statistical modeling and spatial modeling in a geographical information system. To determine treeline shifts and assign the respective drivers, neighborhood relationships between forest patches were analyzed using moving window algorithms. Time series regression modeling was used in the development of an air-to-soil temperature transfer model to calculate thermal treeline indicators. The indicators were then applied spatially to delineate the climatic treeline, based on interpolated temperature data. Observation of recent forest dynamics in the Swiss treeline ecotone showed that changes were mainly due to forest in-growth, but also partly to upward attitudinal shifts. The recent reduction in agricultural land-use was found to be the dominant driver of these changes. Climate-driven changes were identified only at the uppermost limits of the treeline ecotone. Seasonal mean temperature indicators were found to be the best for predicting climatic treelines. Applying dynamic seasonal delimitations and the air-to-soil temperature transfer model improved the indicators' applicability for spatial modeling. Reproducing the climatic treelines of the past 45 years revealed regionally different attitudinal shifts, the largest being located near the highest mountain mass. Modeling climatic treelines based on two IPCC climate warming scenarios predicted major shifts in treeline altitude. However, the currently-observed treeline is not expected to reach this limit easily, due to lagged reaction, possible climate feedback effects and other limiting factors. Résumé: Selon le rapport 2007 de l'IPCC, le réchauffement global a induit une augmentation de la température terrestre de 0.7 °C en moyenne au cours du 20e siècle. En Suisse, l'augmentation durant la même période a été plus importante: 1.3 °C dans les Alpes du nord et 1.7 °C dans les Alpes du sud. Les impacts de ce réchauffement sur les écosystèmes - en particuliers les systèmes sensibles comme l'écotone de la limite des arbres - sont déjà visibles aujourd'hui. Les espèces de la limite alpine des forêts ont des taux de croissance plus forts, on observe en de nombreux endroits un accroissement du nombre de jeunes arbres s'établissant dans les trouées et la limite des arbres migre vers le haut. Compte tenu du réchauffement prévu, on s'attend à ce que ce phénomène, visible globalement, persiste. Cette thèse de doctorat visait à développer un jeu de méthodes et de modèles pour étudier dans un contexte spatial la position présente et future de la limite climatique des arbres, ainsi que ses déplacements, au sein des Alpes suisses. L'étude s'est donc focalisée sur: 1) la quantification de la dynamique actuelle de la limite des arbres et ses causes potentielles, 2) l'évaluation et l'amélioration des indicateurs, basés sur la température, pour la limite des arbres et 3) l'analyse spatiale et la projection de la position climatique passée, présente et future de la limite des arbres et des déplacements altitudinaux de cette position. Les méthodes utilisées sont une combinaison de mesures de température sur le terrain, de modélisation statistique et de la modélisation spatiale à l'aide d'un système d'information géographique. Les relations de voisinage entre parcelles de forêt ont été analysées à l'aide d'algorithmes utilisant des fenêtres mobiles, afin de mesurer les déplacements de la limite des arbres et déterminer leurs causes. Un modèle de transfert de température air-sol, basé sur les modèles de régression sur séries temporelles, a été développé pour calculer des indicateurs thermiques de la limite des arbres. Les indicateurs ont ensuite été appliqués spatialement pour délimiter la limite climatique des arbres, sur la base de données de températures interpolées. L'observation de la dynamique forestière récente dans l'écotone de la limite des arbres en Suisse a montré que les changements étaient principalement dus à la fermeture des trouées, mais aussi en partie à des déplacements vers des altitudes plus élevées. Il a été montré que la récente déprise agricole était la cause principale de ces changements. Des changements dus au climat n'ont été identifiés qu'aux limites supérieures de l'écotone de la limite des arbres. Les indicateurs de température moyenne saisonnière se sont avérés le mieux convenir pour prédire la limite climatique des arbres. L'application de limites dynamiques saisonnières et du modèle de transfert de température air-sol a amélioré l'applicabilité des indicateurs pour la modélisation spatiale. La reproduction des limites climatiques des arbres durant ces 45 dernières années a mis en évidence des changements d'altitude différents selon les régions, les plus importants étant situés près du plus haut massif montagneux. La modélisation des limites climatiques des arbres d'après deux scénarios de réchauffement climatique de l'IPCC a prédit des changements majeurs de l'altitude de la limite des arbres. Toutefois, l'on ne s'attend pas à ce que la limite des arbres actuellement observée atteigne cette limite facilement, en raison du délai de réaction, d'effets rétroactifs du climat et d'autres facteurs limitants.

Peatlands and plantations in Sumatra, Indonesia : Complex realities for resource governance, rural development and climate change mitigation

Peatlands play a crucial role in Indonesia's economic development, and in its stated goal of reducing greenhouse gas emissions. Improved peatland management - including a national moratorium on the granting of any new conversion licenses - forms a cornerstone of Indonesia's climate change mitigation commitment. At the same time, rapid expansion of the plantation sector is driving wide-scale drainage and conversion of peat swamp ecosystems. The province of Riau, in central Sumatra, finds itself at the crossroads of these conflicting agendas. This essay presents a case study of three islands on Riau's east coast affected by industrial timber plantation concessions. It examines the divergent experiences, perceptions and responses of communities on the islands. A mix of dramatic protests, localised everyday actions and constructive dialogue has succeeded in delaying or perhaps halting one of the concessions, while negotiations and contestation with the other two continue. With the support of regional and national non-governmental organisations and local government, communities are pursuing alternative development strategies, including the cultivation of sago, which requires no peat drainage. While a powerful political economy of state and corporate actors shapes the contours of socio-environmental change, local social movements can alter trajectories of change, promoting incremental improvements and alternative pathways.

Risk and global change : developing scientific methods for advocacy and awareness raising

Les catastrophes sont souvent perçues comme des événements rapides et aléatoires. Si les déclencheurs peuvent être soudains, les catastrophes, elles, sont le résultat d'une accumulation des conséquences d'actions et de décisions inappropriées ainsi que du changement global. Pour modifier cette perception du risque, des outils de sensibilisation sont nécessaires. Des méthodes quantitatives ont été développées et ont permis d'identifier la distribution et les facteurs sous- jacents du risque.¦Le risque de catastrophes résulte de l'intersection entre aléas, exposition et vulnérabilité. La fréquence et l'intensité des aléas peuvent être influencées par le changement climatique ou le déclin des écosystèmes, la croissance démographique augmente l'exposition, alors que l'évolution du niveau de développement affecte la vulnérabilité. Chacune de ses composantes pouvant changer, le risque est dynamique et doit être réévalué périodiquement par les gouvernements, les assurances ou les agences de développement. Au niveau global, ces analyses sont souvent effectuées à l'aide de base de données sur les pertes enregistrées. Nos résultats montrent que celles-ci sont susceptibles d'être biaisées notamment par l'amélioration de l'accès à l'information. Elles ne sont pas exhaustives et ne donnent pas d'information sur l'exposition, l'intensité ou la vulnérabilité. Une nouvelle approche, indépendante des pertes reportées, est donc nécessaire.¦Les recherches présentées ici ont été mandatées par les Nations Unies et par des agences oeuvrant dans le développement et l'environnement (PNUD, l'UNISDR, la GTZ, le PNUE ou l'UICN). Ces organismes avaient besoin d'une évaluation quantitative sur les facteurs sous-jacents du risque, afin de sensibiliser les décideurs et pour la priorisation des projets de réduction des risques de désastres.¦La méthode est basée sur les systèmes d'information géographique, la télédétection, les bases de données et l'analyse statistique. Une importante quantité de données (1,7 Tb) et plusieurs milliers d'heures de calculs ont été nécessaires. Un modèle de risque global a été élaboré pour révéler la distribution des aléas, de l'exposition et des risques, ainsi que pour l'identification des facteurs de risque sous- jacent de plusieurs aléas (inondations, cyclones tropicaux, séismes et glissements de terrain). Deux indexes de risque multiples ont été générés pour comparer les pays. Les résultats incluent une évaluation du rôle de l'intensité de l'aléa, de l'exposition, de la pauvreté, de la gouvernance dans la configuration et les tendances du risque. Il apparaît que les facteurs de vulnérabilité changent en fonction du type d'aléa, et contrairement à l'exposition, leur poids décroît quand l'intensité augmente.¦Au niveau local, la méthode a été testée pour mettre en évidence l'influence du changement climatique et du déclin des écosystèmes sur l'aléa. Dans le nord du Pakistan, la déforestation induit une augmentation de la susceptibilité des glissements de terrain. Les recherches menées au Pérou (à base d'imagerie satellitaire et de collecte de données au sol) révèlent un retrait glaciaire rapide et donnent une évaluation du volume de glace restante ainsi que des scénarios sur l'évolution possible.¦Ces résultats ont été présentés à des publics différents, notamment en face de 160 gouvernements. Les résultats et les données générées sont accessibles en ligne (http://preview.grid.unep.ch). La méthode est flexible et facilement transposable à des échelles et problématiques différentes, offrant de bonnes perspectives pour l'adaptation à d'autres domaines de recherche.¦La caractérisation du risque au niveau global et l'identification du rôle des écosystèmes dans le risque de catastrophe est en plein développement. Ces recherches ont révélés de nombreux défis, certains ont été résolus, d'autres sont restés des limitations. Cependant, il apparaît clairement que le niveau de développement configure line grande partie des risques de catastrophes. La dynamique du risque est gouvernée principalement par le changement global.¦Disasters are often perceived as fast and random events. If the triggers may be sudden, disasters are the result of an accumulation of actions, consequences from inappropriate decisions and from global change. To modify this perception of risk, advocacy tools are needed. Quantitative methods have been developed to identify the distribution and the underlying factors of risk.¦Disaster risk is resulting from the intersection of hazards, exposure and vulnerability. The frequency and intensity of hazards can be influenced by climate change or by the decline of ecosystems. Population growth increases the exposure, while changes in the level of development affect the vulnerability. Given that each of its components may change, the risk is dynamic and should be reviewed periodically by governments, insurance companies or development agencies. At the global level, these analyses are often performed using databases on reported losses. Our results show that these are likely to be biased in particular by improvements in access to information. International losses databases are not exhaustive and do not give information on exposure, the intensity or vulnerability. A new approach, independent of reported losses, is necessary.¦The researches presented here have been mandated by the United Nations and agencies working in the development and the environment (UNDP, UNISDR, GTZ, UNEP and IUCN). These organizations needed a quantitative assessment of the underlying factors of risk, to raise awareness amongst policymakers and to prioritize disaster risk reduction projects.¦The method is based on geographic information systems, remote sensing, databases and statistical analysis. It required a large amount of data (1.7 Tb of data on both the physical environment and socio-economic parameters) and several thousand hours of processing were necessary. A comprehensive risk model was developed to reveal the distribution of hazards, exposure and risk, and to identify underlying risk factors. These were performed for several hazards (e.g. floods, tropical cyclones, earthquakes and landslides). Two different multiple risk indexes were generated to compare countries. The results include an evaluation of the role of the intensity of the hazard, exposure, poverty, governance in the pattern and trends of risk. It appears that the vulnerability factors change depending on the type of hazard, and contrary to the exposure, their weight decreases as the intensity increases.¦Locally, the method was tested to highlight the influence of climate change and the ecosystems decline on the hazard. In northern Pakistan, deforestation exacerbates the susceptibility of landslides. Researches in Peru (based on satellite imagery and ground data collection) revealed a rapid glacier retreat and give an assessment of the remaining ice volume as well as scenarios of possible evolution.¦These results were presented to different audiences, including in front of 160 governments. The results and data generated are made available online through an open source SDI (http://preview.grid.unep.ch). The method is flexible and easily transferable to different scales and issues, with good prospects for adaptation to other research areas. The risk characterization at a global level and identifying the role of ecosystems in disaster risk is booming. These researches have revealed many challenges, some were resolved, while others remained limitations. However, it is clear that the level of development, and more over, unsustainable development, configures a large part of disaster risk and that the dynamics of risk is primarily governed by global change.

Climate change effects on animal and plant phylogenetic diversity in southern Africa

Much attention has been paid to the effects of climate change on species' range reductions and extinctions. There is however surprisingly little information on how climate change driven threat may impact the tree of life and result in loss of phylogenetic diversity (PD). Some plant families and mammalian orders reveal nonrandom extinction patterns, but many other plant families do not. Do these discrepancies reflect different speciation histories and does climate induced extinction result in the same discrepancies among different groups? Answers to these questions require representative taxon sampling. Here, we combine phylogenetic analyses, species distribution modeling, and climate change projections on two of the largest plant families in the Cape Floristic Region (Proteaceae and Restionaceae), as well as the second most diverse mammalian order in Southern Africa (Chiroptera), and an herbivorous insect genus (Platypleura) in the family Cicadidae to answer this question. We model current and future species distributions to assess species threat levels over the next 70years, and then compare projected with random PD survival. Results for these animal and plant clades reveal congruence. PD losses are not significantly higher under predicted extinction than under random extinction simulations. So far the evidence suggests that focusing resources on climate threatened species alone may not result in disproportionate benefits for the preservation of evolutionary history.

Predicted effect of climate change on the invasibility and distribution of the Western corn root-worm

1 Insect pests, biological invasions and climate change are considered to representmajor threats to biodiversity, ecosystem functioning, agriculture and forestry.Deriving hypothesis of contemporary and/or future potential distributions of insectpests and invasive species is becoming an important tool for predicting the spatialstructure of potential threats.2 The western corn rootworm (WCR) Diabrotica virgifera virgifera LeConte is apest of maize in North America that has invaded Europe in recent years, resultingin economic costs in terms of maize yields in both continents. The present studyaimed to estimate the dynamics of potential areas of invasion by the WCR under aclimate change scenario in the Northern Hemisphere. The areas at risk under thisscenario were assessed by comparing, using complementary approaches, the spatialprojections of current and future areas of climatic favourability of the WCR. Spatialhypothesis were generated with respect to the presence records in the native rangeof the WCR and physiological thresholds from previous empirical studies.3 We used a previously developed protocol specifically designed to estimatethe climatic favourability of the WCR. We selected the most biologicallyrelevant climatic predictors and then used multidimensional envelope (MDE) andMahalanobis distances (MD) approaches to derive potential distributions for currentand future climatic conditions.4 The results obtained showed a northward advancement of the upper physiologicallimit as a result of climate change, which might increase the strength of outbreaksat higher latitudes. In addition, both MDE and MD outputs predict the stability ofclimatic favourability for the WCR in the core of the already invaded area in Europe,which suggests that this zone would continue to experience damage from this pestin Europe.

Fire management, climate change and their interacting effects on birds in complex Mediterranean landscapes: dynamic distribution modelling of an early-successional species - the near-threatened Dartford Warbler (Sylvia undata)

The current challenge in a context of major environmental changes is to anticipate the responses of species to future landscape and climate scenarios. In the Mediterranean basin, climate change is one the most powerful driving forces of fire dynamics, with fire frequency and impact having markedly increased in recent years. Species distribution modelling plays a fundamental role in this challenge, but better integration of available ecological knowledge is needed to adequately guide conservation efforts. Here, we quantified changes in habitat suitability of an early-succession bird in Catalonia, the Dartford Warbler (Sylvia undata) ― globally evaluated as Near Threatened in the IUCN Red List. We assessed potential changes in species distributions between 2000 and 2050 under different fire management and climate change scenarios and described landscape dynamics using a spatially-explicit fire-succession model that simulates fire impacts in the landscape and post-fire regeneration (MEDFIRE model). Dartford Warbler occurrence data were acquired at two different spatial scales from: 1) the Atlas of European Breeding Birds (EBCC) and 2) Catalan Breeding Bird Atlas (CBBA). Habitat suitability was modelled using five widely-used modelling techniques in an ensemble forecasting framework. Our results indicated considerable habitat suitability losses (ranging between 47% and 57% in baseline scenarios), which were modulated to a large extent by fire regime changes derived from fire management policies and climate changes. Such result highlighted the need for taking the spatial interaction between climate changes, fire-mediated landscape dynamics and fire management policies into account for coherently anticipating habitat suitability changes of early succession bird species. We conclude that fire management programs need to be integrated into conservation plans to effectively preserve sparsely forested and early succession habitats and their associated species in the face of global environmental change.

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.

Paleoenvironmental evolution of the Helvetic shallow-water carbonate platform near the Barremian-Aptian boundary, and its relationship with paleoceanographic and paleoclimatic change in the Tethys

Abstract:During my doctoral research, I focused on deciphering the interactions between sea-level and climate change during the Late Barremian-Early Aptian, their expression in the Tethys basin and in the Helvetic carbonate platform. The research highlights are summarized here in three points: In the Helvetic Alps, the transition between the Lower Schrattenkalk (Upper Barremian) and the Rawil Member (Lowermost Aptian) is characterized by a change from a predominantly photozoan to a heterozoan carbonate-producing system, which coincides in time with a general increase in detrital and nutrient input. The clay mineral record shows the appearance of kaolinite within the Rawil Member, whereas this mineral is absent from the uppermost Lower and lowermost Upper Schrattenkalk Members. This indicates the installation of a warmer and more humid climate during this time period. A negative peak in 513C is recorded at the top of the Lower Schrattenkalk Member, and correlates with the well-known negative excursion of -l%o occurring in other basins and dated as latest Barremian, thus confirming a latest Barremian and earliest Aptian age for the Lower Schrattenkalk and Rawil Members, respectively. Furthermore, a sequence stratigraphie framework has been defined for the Rawil Member, based on both the ecology of faunal and floral assemblages, and their palaeoenvironmental interpretation, as well as on the stacking pattern of limestone beds observed during field prospection. The presence of a sequence boundary is postulated near the top of the Lower Schrattenkalk Member, which is correlated with the earliest Aptian SbAl defined in Vercors (France). The SbAl is characterized by a maximum of proximal assemblages and by the disappearance of several benthic foraminiferal species. Within the Rawil Member itself, the stacking pattern and microfacies trends are interpreted to represent the TST of the first Aptian sequence. With regards to the pelagic setting in the Tethyan realm, I investigated the Gorgo a Cerbara section (central Italy). There, thin organic-rich layers occur episodically in pelagic carbonates of the upper Barremian portion of the Maiolica Formation. They are associated with high Corg:Ptot ratios, which indicate the presence of intermittent dysoxic to anoxic conditions. Coarse correlations are also observed between TOC, Ρ and biogenic silica contents, indicating links between Ρ availability, productivity, and organic matter preservation. The corresponding 813Ccarb and δ180 records remain, however, quite stable, indicating that these brief periods of enhanced TOC preservation did not have sufficient impact on the marine carbon household to deviate 6,3C records, and are probably not the consequence of major climate change. On the other hand, organic-rich layers become more frequent around the Barremian-Aptian boundary in both pelagic and hemi-pelagic environments (Gorgo a Cerbara and La Bédoule, France), which are correlated with negative excursions in 6l3Ccarb and 613Corg records. During the earliest Aptian, at Gorgo a Cerbara, the frequency of organic-rich intervals progressively increases and redox-sensitive trace-element enrichments become more frequent, until the highest TOC-enriched level just below the "Livello Selli", indicator of Oceanic Anoxic Event la (OAEla). The latter is associated with the well-known negative spike in 613Ccarb and S,3Corg records, a diminution in the δ,80 record interpreted as the consequence of a wanning interval, an important peak in Ρ accumulation and high Cor::Ptot ratios indicating the prevalence of anoxic conditions. The Selli Level (OAEla) documents a general cooling phase and coincides with maximum RSTE enrichments as well as high Corg:Ptot ratios, which confirm the importance of anoxic conditions during OAE1 a at this site.During the Early Aptian, environmental change on the platform is expressed by orbitolinids proliferation that may be induced by both climate change and sea-level rise. In the basin, the successive black shales horizons from the Late Barremian until the OAE la are interpreted as the progressive impact of palaeoenvironmental change probably linked to the formation of the Ontong- Java plate-basalt plateau.RésuméCe travail de thèse a permis d'investiguer les interactions entre les variations du niveau marin et les changements climatiques sur la plate-forme helvétique ainsi qu'en domaine pélagique à la limite Barrémien-Aptien (Crétacé).Dans les Alpes helvétiques, la limite Barrémien-Aptien est marquée par la transition du Schrattenkalk inférieur, caractérisé par des carbonates photozaires, au Membre de Rawil caractérisé par des carbonates héterozoaires. Cette transition est marquée par une arrivée massive d'éléments détritiques et un apport de nutriments ayant entraîné la prolifération de foraminifères agglutinés tels que les orbitolines. L'analyse des minéraux argileux indique l'apparition de la kaolinite durant le Membre de Rawil, interprétée comme l'installation d'un climat plus chaud et humide. Un pic négatif en 513C est enregistré au sommet du Schrattenkalk inférieur correspond à l'excursion négative de -1%0 bien connue en domaine pélagique et datée comme Barrémien terminal. Cette corrélation apporte un contrôle chronostratigraphique supplémentaire permettant de dater le Schrattenkalk inférieur du Barrémien sup. et le Membre de Rawil de l'Aptien inf. D'autre part, une étude stratigraphique, basée sur des observations de terrain et sur l'interprétation d'assemblages floristiques et faunistiques en terme de paléoenvironnement a permis de mettre en évidence une limite de séquence au sommet du Schrattenkalk inf., corrélable avec la SbAl définie dans le Vercors. Durant la mise en place du Membre de Rawil, l'évolution des microfaciès est interprétée comme le « Transgressive System Tract » de la première séquence aptienne.En domaine pélagique, de minces couches riches en matière organique (MO) apparaissent dès le Barrémien sup. dans la coupe de Gorgo a Cerbara (Italie). Elles sont associées à un ratio C:P élevé indiquant des conditions épisodiquement dysoxiques à anoxiques. De plus, une corrélation nette entre Carbone Organique Total (TOC), phosphore (P) et silice biogénique est observée correspondant à un lien entre Ρ disponible, productivité et préservation de la MO. Pourtant, dans le même temps, le ÔI3C et le δ1βΟ restent constants indiquant des conditions environnementales stables et un cycle du carbone non perturbé par la préservation de MO qui ne serait pas la conséquence d'un changement climatique global mais juste d'un effet local.Ala limite Barrémien-Aptien, en domaine hémi-pélagique (La Bédoule, France) et pélagique (Gorgo a Cerbara), les couches riches en MO sont plus fréquentes et plus épaisses, elles se sont déposées en même temps qu'un pic négatif en 513CCARB et ô13Coib probablement dû à un épisode volcanique. A l'Aptien inf. le TOC des niveaux riches en MO augmente progressivement en même temps que la teneur en éléments traces jusqu'au dernier enrichissement avant l'événement anoxique océanique la (OAE la) correspondant au « niveau critique inf. », indiquant des conditions anoxiques moins restreintes. Celui-ci est également caractérisé par le fameux pic négatif en Ô13C (C3), une diminution du δ180 interprétée comme un réchauffement, par un pic en Ρ et un ratio C:P élevé. L'OAE 1 a, quant à lui, enregistre un refroidissement et coïncide avec le maximum en éléments traces ainsi qu'un fort ratio C:P mettant en valeur l'importance des conditions anoxiques pendant 1ΌΑΕ la dans cette coupe alors qu'aucune perturbation n'est enregistrés à La Bédoule probablement à cause de conditions paléogéographiques locales.Durant l'Aptien inf., les changements environnementaux sur la plate-forme se marquent par la prolifération d'orbitolines due à un changement climatique et une hausse du niveau marin. En domaine profond, la succession de niveaux riches en MO du Barrémien sup. jusqu'à l'OAE la documente l'impact progressif de changements paléoenvironnementaux, probablement liés à la formation du plateau d'Ontong Java à l'ouest de l'océan Pacifique.

Niche, distribution and global change : modeling insights into biogeography and conservation biology Olivier Broennimann

RESUME Les évidences montrant que les changements globaux affectent la biodiversité s'accumulent. Les facteurs les plus influant dans ce processus sont les changements et destructions d'habitat, l'expansion des espèces envahissantes et l'impact des changements climatiques. Une évaluation pertinente de la réponse des espèces face à ces changements est essentielle pour proposer des mesures permettant de réduire le déclin actuel de la biodiversité. La modélisation de la répartition d'espèces basée sur la niche (NBM) est l'un des rares outils permettant cette évaluation. Néanmoins, leur application dans le contexte des changements globaux repose sur des hypothèses restrictives et demande une interprétation critique. Ce travail présente une série d'études de cas investiguant les possibilités et limitations de cette approche pour prédire l'impact des changements globaux. Deux études traitant des menaces sur les espèces rares et en danger d'extinction sont présentées. Les caractéristiques éco-géographiques de 118 plantes avec un haut degré de priorité de conservation sont revues. La prévalence des types de rareté sont analysées en relation avec leur risque d'extinction UICN. La revue souligne l'importance de la conservation à l'échelle régionale. Une évaluation de la rareté à échelle globale peut être trompeuse pour certaine espèces car elle ne tient pas en compte des différents degrés de rareté que présente une espèce à différentes échelles spatiales. La deuxième étude test une approche pour améliorer l'échantillonnage d'espèces rares en incluant des phases itératives de modélisation et d'échantillonnage sur le terrain. L'application de l'approche en biologie de la conservation (illustrée ici par le cas du chardon bleu, Eryngium alpinum), permettrait de réduire le temps et les coûts d'échantillonnage. Deux études sur l'impact des changements climatiques sur la faune et la flore africaine sont présentées. La première étude évalue la sensibilité de 227 mammifères africains face aux climatiques d'ici 2050. Elle montre qu'un nombre important d'espèces pourrait être bientôt en danger d'extinction et que les parcs nationaux africains (principalement ceux situé en milieux xériques) pourraient ne pas remplir leur mandat de protection de la biodiversité dans le futur. La seconde étude modélise l'aire de répartition en 2050 de 975 espèces de plantes endémiques du sud de l'Afrique. L'étude propose l'inclusion de méthodes améliorant la prédiction des risques liés aux changements climatiques. Elle propose également une méthode pour estimer a priori la sensibilité d'une espèce aux changements climatiques à partir de ses propriétés écologiques et des caractéristiques de son aire de répartition. Trois études illustrent l'utilisation des modèles dans l'étude des invasions biologiques. Une première étude relate l'expansion de la laitue sáuvage (Lactuca serriola) vers le nord de l'Europe en lien avec les changements du climat depuis 250 ans. La deuxième étude analyse le potentiel d'invasion de la centaurée tachetée (Centaures maculosa), une mauvaise herbe importée en Amérique du nord vers 1890. L'étude apporte la preuve qu'une espèce envahissante peut occuper une niche climatique différente après introduction sur un autre continent. Les modèles basés sur l'aire native prédisent de manière incorrecte l'entier de l'aire envahie mais permettent de prévoir les aires d'introductions potentielles. Une méthode alternative, incluant la calibration du modèle à partir des deux aires où l'espèce est présente, est proposée pour améliorer les prédictions de l'invasion en Amérique du nord. Je présente finalement une revue de la littérature sur la dynamique de la niche écologique dans le temps et l'espace. Elle synthétise les récents développements théoriques concernant le conservatisme de la niche et propose des solutions pour améliorer la pertinence des prédictions d'impact des changements climatiques et des invasions biologiques. SUMMARY Evidences are accumulating that biodiversity is facing the effects of global change. The most influential drivers of change in ecosystems are land-use change, alien species invasions and climate change impacts. Accurate projections of species' responses to these changes are needed to propose mitigation measures to slow down the on-going erosion of biodiversity. Niche-based models (NBM) currently represent one of the only tools for such projections. However, their application in the context of global changes relies on restrictive assumptions, calling for cautious interpretations. In this thesis I aim to assess the effectiveness and shortcomings of niche-based models for the study of global change impacts on biodiversity through the investigation of specific, unsolved limitations and suggestion of new approaches. Two studies investigating threats to rare and endangered plants are presented. I review the ecogeographic characteristic of 118 endangered plants with high conservation priority in Switzerland. The prevalence of rarity types among plant species is analyzed in relation to IUCN extinction risks. The review underlines the importance of regional vs. global conservation and shows that a global assessment of rarity might be misleading for some species because it can fail to account for different degrees of rarity at a variety of spatial scales. The second study tests a modeling framework including iterative steps of modeling and field surveys to improve the sampling of rare species. The approach is illustrated with a rare alpine plant, Eryngium alpinum and shows promise for complementing conservation practices and reducing sampling costs. Two studies illustrate the impacts of climate change on African taxa. The first one assesses the sensitivity of 277 mammals at African scale to climate change by 2050 in terms of species richness and turnover. It shows that a substantial number of species could be critically endangered in the future. National parks situated in xeric ecosystems are not expected to meet their mandate of protecting current species diversity in the future. The second study model the distribution in 2050 of 975 endemic plant species in southern Africa. The study proposes the inclusion of new methodological insights improving the accuracy and ecological realism of predictions of global changes studies. It also investigates the possibility to estimate a priori the sensitivity of a species to climate change from the geographical distribution and ecological proprieties of the species. Three studies illustrate the application of NBM in the study of biological invasions. The first one investigates the Northwards expansion of Lactuca serriola L. in Europe during the last 250 years in relation with climate changes. In the last two decades, the species could not track climate change due to non climatic influences. A second study analyses the potential invasion extent of spotted knapweed, a European weed first introduced into North America in the 1890s. The study provides one of the first empirical evidence that an invasive species can occupy climatically distinct niche spaces following its introduction into a new area. Models fail to predict the current full extent of the invasion, but correctly predict areas of introduction. An alternative approach, involving the calibration of models with pooled data from both ranges, is proposed to improve predictions of the extent of invasion on models based solely on the native range. I finally present a review on the dynamic nature of ecological niches in space and time. It synthesizes the recent theoretical developments to the niche conservatism issues and proposes solutions to improve confidence in NBM predictions of the impacts of climate change and species invasions on species distributions.

Providing more informative projections of climate change impact on plant distribution in a mountain environment

Summary Due to their conic shape and the reduction of area with increasing elevation, mountain ecosystems were early identified as potentially very sensitive to global warming. Moreover, mountain systems may experience unprecedented rates of warming during the next century, two or three times higher than that records of the 20th century. In this context, species distribution models (SDM) have become important tools for rapid assessment of the impact of accelerated land use and climate change on the distribution plant species. In my study, I developed and tested new predictor variables for species distribution models (SDM), specific to current and future geographic projections of plant species in a mountain system, using the Western Swiss Alps as model region. Since meso- and micro-topography are relevant to explain geographic patterns of plant species in mountain environments, I assessed the effect of scale on predictor variables and geographic projections of SDM. I also developed a methodological framework of space-for-time evaluation to test the robustness of SDM when projected in a future changing climate. Finally, I used a cellular automaton to run dynamic simulations of plant migration under climate change in a mountain landscape, including realistic distance of seed dispersal. Results of future projections for the 21st century were also discussed in perspective of vegetation changes monitored during the 20th century. Overall, I showed in this study that, based on the most severe A1 climate change scenario and realistic dispersal simulations of plant dispersal, species extinctions in the Western Swiss Alps could affect nearly one third (28.5%) of the 284 species modeled by 2100. With the less severe 61 scenario, only 4.6% of species are predicted to become extinct. However, even with B1, 54% (153 species) may still loose more than 80% of their initial surface. Results of monitoring of past vegetation changes suggested that plant species can react quickly to the warmer conditions as far as competition is low However, in subalpine grasslands, competition of already present species is probably important and limit establishment of newly arrived species. Results from future simulations also showed that heavy extinctions of alpine plants may start already in 2040, but the latest in 2080. My study also highlighted the importance of fine scale and regional. assessments of climate change impact on mountain vegetation, using more direct predictor variables. Indeed, predictions at the continental scale may fail to predict local refugees or local extinctions, as well as loss of connectivity between local populations. On the other hand, migrations of low-elevation species to higher altitude may be difficult to predict at the local scale. Résumé La forme conique des montagnes ainsi que la diminution de surface dans les hautes altitudes sont reconnues pour exposer plus sensiblement les écosystèmes de montagne au réchauffement global. En outre, les systèmes de montagne seront sans doute soumis durant le 21ème siècle à un réchauffement deux à trois fois plus rapide que celui mesuré durant le 20ème siècle. Dans ce contexte, les modèles prédictifs de distribution géographique de la végétation se sont imposés comme des outils puissants pour de rapides évaluations de l'impact des changements climatiques et de la transformation du paysage par l'homme sur la végétation. Dans mon étude, j'ai développé de nouvelles variables prédictives pour les modèles de distribution, spécifiques à la projection géographique présente et future des plantes dans un système de montagne, en utilisant les Préalpes vaudoises comme zone d'échantillonnage. La méso- et la microtopographie étant particulièrement adaptées pour expliquer les patrons de distribution géographique des plantes dans un environnement montagneux, j'ai testé les effets d'échelle sur les variables prédictives et sur les projections des modèles de distribution. J'ai aussi développé un cadre méthodologique pour tester la robustesse potentielle des modèles lors de projections pour le futur. Finalement, j'ai utilisé un automate cellulaire pour simuler de manière dynamique la migration future des plantes dans le paysage et dans quatre scénarios de changement climatique pour le 21ème siècle. J'ai intégré dans ces simulations des mécanismes et des distances plus réalistes de dispersion de graines. J'ai pu montrer, avec les simulations les plus réalistes, que près du tiers des 284 espèces considérées (28.5%) pourraient être menacées d'extinction en 2100 dans le cas du plus sévère scénario de changement climatique A1. Pour le moins sévère des scénarios B1, seulement 4.6% des espèces sont menacées d'extinctions, mais 54% (153 espèces) risquent de perdre plus 80% de leur habitat initial. Les résultats de monitoring des changements de végétation dans le passé montrent que les plantes peuvent réagir rapidement au réchauffement climatique si la compétition est faible. Dans les prairies subalpines, les espèces déjà présentes limitent certainement l'arrivée de nouvelles espèces par effet de compétition. Les résultats de simulation pour le futur prédisent le début d'extinctions massives dans les Préalpes à partir de 2040, au plus tard en 2080. Mon travail démontre aussi l'importance d'études régionales à échelle fine pour évaluer l'impact des changements climatiques sur la végétation, en intégrant des variables plus directes. En effet, les études à échelle continentale ne tiennent pas compte des micro-refuges, des extinctions locales ni des pertes de connectivité entre populations locales. Malgré cela, la migration des plantes de basses altitudes reste difficile à prédire à l'échelle locale sans modélisation plus globale.

The United Nations Educational, Scientific and Cultural Organisation: Pawn or Global Player?,

This contribution aims at exploring the significance of the new generation of UNESCO conventions for the recognition of higher education qualifications. It discusses three possible scenarios and links them to the empirical findings of a study that compares the enabling conditions of the first generation of recognition conventions established in the 1970s and 1980s with the ones establishing the second generation today. Taking an interdisciplinary approach, the paper argues that the changes illustrate a more general shift in the architecture of the global order and highlights a new role of UNESCO.

Climate change, anthropogenic disturbance and the northward range expansion of Lactuca serriola (Asteraceae)

The distribution range of Lactuca serriola, a species native to the summer-dry mediterranean climate, has expanded northwards during the last 250 years. This paper assesses the influence of climate on the range expansion of this species and highlights the importance of anthropogenic disturbance to its spread. Location Central and Northern Europe. Methods Data on the geographic distribution of L. serriola were assembled through a literature search as well as through floristic and herbarium surveys. Maps of the spread of L. serriola in Central and Northern Europe were prepared based on herbarium data. The spread was assessed more precisely in Germany, Austria and Great Britain by pooling herbarium and literature data. We modelled the bioclimatic niche of the species using occurrence and climatic data covering the last century to generate projections of suitable habitats under the climatic conditions of five time periods. We tested whether the observed distribution of L. serriola could be explained for each time period, assuming that the climatic niche of the species was conserved across time. Results The species has spread northwards since the beginning of the 19th century. We show that climate warming in Europe increased the number of sites suitable for the species at northern latitudes. Until the late 1970s, the distribution of the species corresponded to the climatically suitable sites available. For the last two decades, however, we could not show any significant relationship between the increase in suitable sites and the distributional range change of L. serriola. However, we highlight potential areas the species could spread to in the future (Great Britain, southern Scandinavia and the Swedish coast). It is predominantly non-climatic influences of global change that have contributed to its rapid spread. Main conclusions The observation that colonizing species are not filling their climatically suitable range might imply that, potentially, other ruderal species could expand far beyond their current range. Our work highlights the importance of historical floristic and herbarium data for understanding the expansion of a species. Such historical distributional data can provide valuable information for those planning the management of contemporary environmental problems, such as species responses to environmental change.

Movement, impacts and management of plant distributions in response to climate change: insights from invasions

A major challenge in this era of rapid climate change is to predict changes in species distributions and their impacts on ecosystems, and, if necessary, to recommend management strategies for maintenance of biodiversity or ecosystem services. Biological invasions, studied in most biomes of the world, can provide useful analogs for some of the ecological consequences of species distribution shifts in response to climate change. Invasions illustrate the adaptive and interactive responses that can occur when species are confronted with new environmental conditions. Invasion ecology complements climate change research and provides insights into the following questions: i) how will species distributions respond to climate change? ii) how will species movement affect recipient ecosystems? and iii) should we, and if so how can we, manage species and ecosystems in the face of climate change? Invasion ecology demonstrates that a trait-based approach can help to predict spread speeds and impacts on ecosystems, and has the potential to predict climate change impacts on species ranges and recipient ecosystems. However, there is a need to analyse traits in the context of life-history and demography, the stage in the colonisation process (e.g., spread, establishment or impact), the distribution of suitable habitats in the landscape, and the novel abiotic and biotic conditions under which those traits are expressed. As is the case with climate change, invasion ecology is embedded within complex societal goals. Both disciplines converge on similar questions of "when to intervene?" and "what to do?" which call for a better understanding of the ecological processes and social values associated with changing ecosystems.