Modelling growth and nitrogen balance of barley under ambient and future conditions

Selostus: Ohran kasvun ja typpidynamiikan mallintaminen nykyisissä ja tulevaisuuden olosuhteissa

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.

Modelling the influence of change in fire regime on the local distribution of a Mediterranean pyrophytic plant species (Cistus salviifolius) at its northern range limit

Aims: To assess the potential distribution of an obligate seeder and active pyrophyte, Cistus salviifolius, a vulnerable species in the Swiss Red List; to derive scenarios by changing the fire return interval; and to discuss the results from a conservation perspective. A more general aim is to assess the impact of fire as a natural factor influencing the vegetation of the southern slopes of the Alps. Locations: Alps, southern Switzerland. Methods: Presence-absence data to fit the model were obtained from the most recent field mapping of C. salviifolius. The quantitative environmental predictors used in this study include topographic, climatic and disturbance (fire) predictors. Models were fitted by logistic regression and evaluated by jackknife and bootstrap approaches. Changes in fire regime were simulated by increasing the time-return interval of fire (simulating longer periods without fire). Two scenarios were considered: no fire in the past 15 years; or in the past 35 years. Results: Rock cover, slope, topographic position, potential evapotranspiration and time elapsed since the last fire were selected in the final model. The Nagelkerke R-2 of the model for C. salviifolius was 0.57 and the Jackknife area under the curve evaluation was 0.89. The bootstrap evaluation revealed model robustness. By increasing the return interval of fire by either up to 15 years, or 35 years, the modelled C. salviifolius population declined by 30-40%, respectively. Main conclusions: Although fire plays a significant role, topography and rock cover appear to be the most important predictors, suggesting that the distribution of C. salviifolius in the southern Swiss Alps is closely related to the availability of supposedly competition-free sites, such as emerging bedrock, ridge locations or steep slopes. Fire is more likely to play a secondary role in allowing C. salviifolius to extend its occurrence temporarily, by increasing germination rates and reducing the competition from surrounding vegetation. To maintain a viable dormant seed bank for C. salviifolius, conservation managers should consider carrying out vegetation clearing and managing wild fire propagation to reduce competition and ensure sufficient recruitment for this species.

Modelling diffusion of innovations in a social network

A simple model of diffusion of innovations in a social network with upgrading costs is introduced. Agents are characterized by a single real variable, their technological level. According to local information, agents decide whether to upgrade their level or not, balancing their possible benefit with the upgrading cost. A critical point where technological avalanches display a power-law behavior is also found. This critical point is characterized by a macroscopic observable that turns out to optimize technological growth in the stationary state. Analytical results supporting our findings are found for the globally coupled case.

SPATIAL UNCERTAINTY OF NUTRIENT LOSS BY EROSION IN SUGARCANE HARVESTING SCENARIOS

The assessment of spatial uncertainty in the prediction of nutrient losses by erosion associated with landscape models is an important tool for soil conservation planning. The purpose of this study was to evaluate the spatial and local uncertainty in predicting depletion rates of soil nutrients (P, K, Ca, and Mg) by soil erosion from green and burnt sugarcane harvesting scenarios, using sequential Gaussian simulation (SGS). A regular grid with equidistant intervals of 50 m (626 points) was established in the 200-ha study area, in Tabapuã, São Paulo, Brazil. The rate of soil depletion (SD) was calculated from the relation between the nutrient concentration in the sediments and the chemical properties in the original soil for all grid points. The data were subjected to descriptive statistical and geostatistical analysis. The mean SD rate for all nutrients was higher in the slash-and-burn than the green cane harvest scenario (Student’s t-test, p<0.05). In both scenarios, nutrient loss followed the order: Ca>Mg>K>P. The SD rate was highest in areas with greater slope. Lower uncertainties were associated to the areas with higher SD and steeper slopes. Spatial uncertainties were highest for areas of transition between concave and convex landforms.

Modelling the evolution and spread of HIV immune escape mutants.

During infection with human immunodeficiency virus (HIV), immune pressure from cytotoxic T-lymphocytes (CTLs) selects for viral mutants that confer escape from CTL recognition. These escape variants can be transmitted between individuals where, depending upon their cost to viral fitness and the CTL responses made by the recipient, they may revert. The rates of within-host evolution and their concordant impact upon the rate of spread of escape mutants at the population level are uncertain. Here we present a mathematical model of within-host evolution of escape mutants, transmission of these variants between hosts and subsequent reversion in new hosts. The model is an extension of the well-known SI model of disease transmission and includes three further parameters that describe host immunogenetic heterogeneity and rates of within host viral evolution. We use the model to explain why some escape mutants appear to have stable prevalence whilst others are spreading through the population. Further, we use it to compare diverse datasets on CTL escape, highlighting where different sources agree or disagree on within-host evolutionary rates. The several dozen CTL epitopes we survey from HIV-1 gag, RT and nef reveal a relatively sedate rate of evolution with average rates of escape measured in years and reversion in decades. For many epitopes in HIV, occasional rapid within-host evolution is not reflected in fast evolution at the population level.

Processus de reconnaissance et d'identification de personnes décédées

Recognition and identification processes for deceased persons. Determining the identity of deceased persons is a routine task performed essentially by police departments and forensic experts. This thesis highlights the processes necessary for the proper and transparent determination of the civil identities of deceased persons. The identity of a person is defined as the establishment of a link between that person ("the source") and information pertaining to the same individual ("identifiers"). Various identity forms could emerge, depending on the nature of the identifiers. There are two distinct types of identity, namely civil identity and biological identity. The paper examines four processes: identification by witnesses (the recognition process) and comparisons of fingerprints, dental data and DNA profiles (the identification processes). During the recognition process, the memory function is examined and helps to clarify circumstances that may give rise to errors. To make the process more rigorous, a body presentation procedure is proposed to investigators. Before examining the other processes, three general concepts specific to forensic science are considered with regard to the identification of a deceased person, namely, matter divisibility (Inman and Rudin), transfer (Locard) and uniqueness (Kirk). These concepts can be applied to the task at hand, although some require a slightly broader scope of application. A cross comparison of common forensic fields and the identification of deceased persons reveals certain differences, including 1 - reverse positioning of the source (i.e. the source is not sought from traces, but rather the identifiers are obtained from the source); 2 - the need for civil identity determination in addition to the individualisation stage; and 3 - a more restricted population (closed set), rather than an open one. For fingerprints, dental and DNA data, intravariability and intervariability are examined, as well as changes in these post mortem (PM) identifiers. Ante-mortem identifiers (AM) are located and AM-PM comparisons made. For DNA, it has been shown that direct identifiers (taken from a person whose civil identity has been alleged) tend to lead to determining civil identity whereas indirect identifiers (obtained from a close relative) direct towards a determination of biological identity. For each process, a Bayesian model is presented which includes sources of uncertainty deemed to be relevant. The results of the different processes combine to structure and summarise an overall outcome and a methodology. The modelling of dental data presents a specific difficulty with respect to intravariability, which in itself is not quantifiable. The concept of "validity" is, therefore, suggested as a possible solution to the problem. Validity uses various parameters that have an acknowledged impact on teeth intravariability. In cases where identifying deceased persons proves to be extremely difficult due to the limited discrimination of certain procedures, the use of a Bayesian approach is of great value in bringing a transparent and synthetic value. RESUME : Titre: Processus de reconnaissance et d'identification de personnes décédées. L'individualisation de personnes décédées est une tâche courante partagée principalement par des services de police, des odontologues et des laboratoires de génétique. L'objectif de cette recherche est de présenter des processus pour déterminer valablement, avec une incertitude maîtrisée, les identités civiles de personnes décédées. La notion d'identité est examinée en premier lieu. L'identité d'une personne est définie comme l'établissement d'un lien entre cette personne et des informations la concernant. Les informations en question sont désignées par le terme d'identifiants. Deux formes distinctes d'identité sont retenues: l'identité civile et l'identité biologique. Quatre processus principaux sont examinés: celui du témoignage et ceux impliquant les comparaisons d'empreintes digitales, de données dentaires et de profils d'ADN. Concernant le processus de reconnaissance, le mode de fonctionnement de la mémoire est examiné, démarche qui permet de désigner les paramètres pouvant conduire à des erreurs. Dans le but d'apporter un cadre rigoureux à ce processus, une procédure de présentation d'un corps est proposée à l'intention des enquêteurs. Avant d'entreprendre l'examen des autres processus, les concepts généraux propres aux domaines forensiques sont examinés sous l'angle particulier de l'identification de personnes décédées: la divisibilité de la matière (Inman et Rudin), le transfert (Locard) et l'unicité (Kirk). Il est constaté que ces concepts peuvent être appliqués, certains nécessitant toutefois un léger élargissement de leurs principes. Une comparaison croisée entre les domaines forensiques habituels et l'identification de personnes décédées montre des différences telles qu'un positionnement inversé de la source (la source n'est plus à rechercher en partant de traces, mais ce sont des identifiants qui sont recherchés en partant de la source), la nécessité de devoir déterminer une identité civile en plus de procéder à une individualisation ou encore une population d'intérêt limitée plutôt qu'ouverte. Pour les empreintes digitales, les dents et l'ADN, l'intra puis l'inter-variabilité sont examinées, de même que leurs modifications post-mortem (PM), la localisation des identifiants ante-mortem (AM) et les comparaisons AM-PM. Pour l'ADN, il est démontré que les identifiants directs (provenant de la personne dont l'identité civile est supposée) tendent à déterminer une identité civile alors que les identifiants indirects (provenant d'un proche parent) tendent à déterminer une identité biologique. Puis une synthèse des résultats provenant des différents processus est réalisée grâce à des modélisations bayesiennes. Pour chaque processus, une modélisation est présentée, modélisation intégrant les paramètres reconnus comme pertinents. À ce stade, une difficulté apparaît: celle de quantifier l'intra-variabilité dentaire pour laquelle il n'existe pas de règle précise. La solution préconisée est celle d'intégrer un concept de validité qui intègre divers paramètres ayant un impact connu sur l'intra-variabilité. La possibilité de formuler une valeur de synthèse par l'approche bayesienne s'avère d'une aide précieuse dans des cas très difficiles pour lesquels chacun des processus est limité en termes de potentiel discriminant.

A probabilistic approach to niche-based community models for spatial forecasts of assemblage properties and their uncertainties

Aim Conservation strategies are in need of predictions that capture spatial community composition and structure. Currently, the methods used to generate these predictions generally focus on deterministic processes and omit important stochastic processes and other unexplained variation in model outputs. Here we test a novel approach of community models that accounts for this variation and determine how well it reproduces observed properties of alpine butterfly communities. Location The western Swiss Alps. Methods We propose a new approach to process probabilistic predictions derived from stacked species distribution models (S-SDMs) in order to predict and assess the uncertainty in the predictions of community properties. We test the utility of our novel approach against a traditional threshold-based approach. We used mountain butterfly communities spanning a large elevation gradient as a case study and evaluated the ability of our approach to model species richness and phylogenetic diversity of communities. Results S-SDMs reproduced the observed decrease in phylogenetic diversity and species richness with elevation, syndromes of environmental filtering. The prediction accuracy of community properties vary along environmental gradient: variability in predictions of species richness was higher at low elevation, while it was lower for phylogenetic diversity. Our approach allowed mapping the variability in species richness and phylogenetic diversity projections. Main conclusion Using our probabilistic approach to process species distribution models outputs to reconstruct communities furnishes an improved picture of the range of possible assemblage realisations under similar environmental conditions given stochastic processes and help inform manager of the uncertainty in the modelling results