Climate change and plant distribution: local models predict high-elevation persistence

Mountain ecosystems will likely be affected by global warming during the 21st century, with substantial biodiversity loss predicted by species distribution models (SDMs). Depending on the geographic extent, elevation range and spatial resolution of data used in making these models, different rates of habitat loss have been predicted, with associated risk of species extinction. Few coordinated across-scale comparisons have been made using data of different resolution and geographic extent. Here, we assess whether climate-change induced habitat losses predicted at the European scale (10x10' grid cells) are also predicted from local scale data and modeling (25x25m grid cells) in two regions of the Swiss Alps. We show that local-scale models predict persistence of suitable habitats in up to 100% of species that were predicted by a European-scale model to lose all their suitable habitats in the area. Proportion of habitat loss depends on climate change scenario and study area. We find good agreement between the mismatch in predictions between scales and the fine-grain elevation range within 10x10' cells. The greatest prediction discrepancy for alpine species occurs in the area with the largest nival zone. Our results suggest elevation range as the main driver for the observed prediction discrepancies. Local scale projections may better reflect the possibility for species to track their climatic requirement toward higher elevations.

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.

Impact of increasing mean air temperature on the development of rice and red rice

The objective of this study was to assess the development response of cultivated rice and red rice to different increases in minimum and maximum daily air temperatures, in Santa Maria, Rio Grande do Sul State, Brazil. One hundred years climate scenarios of temperatures 0, +1, +2, +3, +4, and +5ºC, with symmetric and asymmetric increases in minimum and maximum daily air temperatures were created, using the LARS-WG Weather Generator, and a 1969-2003 database. Nine cultivated rice genotypes (IRGA 421, IRGA 416, IRGA 417, IRGA 420, BRS 7 TAIM, BR-IRGA 409, EPAGRI 109, EEA 406 and a hybrid), and two red rice biotypes (awned black hull-ABHRR, and awned yellow hull-AYHRR) were used. The dates of panicle differentiation (R1), anthesis (R4), and all grains with brown hulls (R9) were estimated with a nonlinear simulation model. Overall, the duration of the emergence-R1 phase decreased, whereas the duration of the R1-R4 and R4-R9 phases most often increased, as temperature increased in the climate change scenarios. The simulated rice development response to elevated temperature was not the same, when the increase in minimum and maximum temperature was symmetric or asymmetric.

Produtividade simulada de tubérculos de batata em cenários de mudanças climáticas

The objective of this study was to simulate potato (Solanum tuberosum) tuber yield in different climate change scenarios of increased carbon dioxide concentration [CO2] and air temperature, considering symmetric and asymmetric increases in minimum and maximum daily air temperatures. Spitters model was used to simulate Asterix cultivar tuber yield considering two growing seasons (spring and fall) recommended for Santa Maria, state of Rio Grande do Sul, Brazil. In each growing season, five planting dates were evaluated in climate scenarios of a hundred years with no increase in [CO2] and temperature (current scenario), and in scenarios with doubling [CO2] and temperature increases of 0, 1, 2, 3, 4, 5 and 6ºC. A symmetric increase of 4ºC and an asymmetric increase of 5ºC in air temperature offset the yield beneficial effect of increasing [CO2] during spring, whereas increase in air temperature does not affect potato tuber yield during fall. Anticipating planting date in spring and delaying it in fall decrease the negative impact of the increasing air temperature on potato tuber yield.

Long-term changes in rice development in Southern Brazil, during the last ten decades

The objective of this work was to test long-term trends in the duration of rice development phases in Santa Maria, RS, Brazil. The duration from emergence to V3 (EM-V3), emergence to panicle differentiation (EM-R1), emergence to anthesis (EM-R4), and emergence to all grains with brown hull (EM-R9) was calculated using leaf appearance and developmental models for four rice cultivars (IRGA 421, IRGA 417, EPAGRI 109, and EEA 406), for the period from 1912 to 2011, considering three emergence dates (early, mid, and late). The trend of the time series was tested with the non-parametric Mann-Kendall test, and the magnitude of the trend was estimated with simple linear regression. Rice development has changed over the last ten decades in this location, leading to an anticipation of harvest time of 17 to 31 days, depending on the cultivar maturity group and emergence date, which is related to trends of temperature increase during the growing season. Warmer temperatures over the evaluated time period are responsible for changing rice phenology in this location, since minimum and maximum daily temperature drive the rice developmental models used.

CO2-response function of radiation use efficiency in rice for climate change scenarios

The objective of this work was to evaluate a generalized response function to the atmospheric CO2 concentration [f(CO2)] by the radiation use efficiency (RUE) in rice. Experimental data on RUE at different CO2 concentrations were collected from rice trials performed in several locations around the world. RUE data were then normalized, so that all RUE at current CO2 concentration were equal to 1. The response function was obtained by fitting normalized RUE versus CO2 concentration to a Morgan-Mercer-Flodin (MMF) function, and by using Marquardt's method to estimate the model coefficients. Goodness of fit was measured by the standard deviation of the estimated coefficients, the coefficient of determination (R²), and the root mean square error (RMSE). The f(CO2) describes a nonlinear sigmoidal response of RUE in rice, in function of the atmospheric CO2 concentration, which has an ecophysiological background, and, therefore, renders a robust function that can be easily coupled to rice simulation models, besides covering the range of CO2 emissions for the next generation of climate scenarios for the 21st century.

Impacts of climate change on the agricultural zoning of climate risk for cotton cultivation in Brazil

The objective of this work was to evaluate the effect of the temperature increase forecasted by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) on agricultural zoning of cotton production in Brazil. The Northeastern region showed the highest decrease in the low-risk area for cotton cultivation due to the projected temperature increase. This area in the Brazilian Northeast may decrease from 83 million ha in 2010 to approximately 71 million ha in 2040, which means 15% reduction in 30 years. Southeastern and Center-Western regions had small decrease in areas suitable for cotton production until 2040, while the Northern region showed no reduction in these areas. Temperature increase will not benefit cotton cultivation in Brazil because dimension of low-risk areas for economic cotton production may decrease.

Nitrogen fluxes from irrigated common‑bean as affected by mulching and mineral fertilization

The objective of this work was to measure the fluxes of N2O‑N and NH3‑N throughout the growing season of irrigated common‑bean (Phaseolus vulgaris), as affected by mulching and mineral fertilization. Fluxes of N2O‑N and NH3‑N were evaluated in areas with or without Congo signal grass mulching (Urochloa ruziziensis) or mineral fertilization. Fluxes of N were also measured in a native Cerrado area, which served as reference. Total N2O‑N and NH3‑N emissions were positively related to the increasing concentrations of moisture, ammonium, and nitrate in the crop system, within 0.5 m soil depth. Carbon content in the substrate and microbial biomass within 0.1 m soil depth were favoured by Congo signal grass and related to higher emissions of N2O‑N, regardless of N fertilization. Emission factors (N losses from the applied mineral nitrogen) for N2O‑N (0.01-0.02%) and NH3‑N (0.3-0.6%) were lower than the default value recognized by the Intergovernmental Panel on Climate Change. Mulch of Congo signal grass benefits N2O‑N emission regardless of N fertilization.

Kasvihuonekaasupäästölaskenta kunnassa

Kiihtyvän kasvihuoneilmiön aiheuttama ilmaston lämpeneminen on modernin yhteiskunnan suurimpia haasteita. Ympäristöteknologian tavoitteena on hidastaa tämän ilmiön haitallisia vaikutuksia maailmanlaajuisesti, kansallisesti sekäkunnallisella tasolla. Tässä työssä on selvitetty, kuinka kunnallinen kasvihuonekaasupäästölaskenta toteutetaan ja voidaanko siitä saada luotettavia tuloksia. Lisäksi tulosten pohjalta on laadittu kunnallinen kasvihuonekaasupäästöjen kehitysennuste sekä toimenpide-ehdotus päästöjen leikkaamiseksi. Esimerkkikuntana on Lappeenrannan kaupunki ja päästölaskenta on kohdistettu vuoteen 2004. Lappeenrannan kaupungin alueen kasvihuonekaasupäästöt vuonna 2004 olivat 1 156 500 tonnia hiilidioksidiekvivalenttia. Alueen luonnon nieluvaikutus oli 23 500 tonnia hiilidioksidiekvivalenttia. Laskennassa käytetty aineisto, eli yritysten ja kunnallisten toimintojen päästö- ja polttoainetiedot, saatiin kirjallisuudesta, virallislähteistä sekä henkilökohtaisina tiedonantoina. Laskentaohjelmistona käytettiin Suomen Kuntaliiton kehittämää Excel-pohjaista kasvihuonekaasu-ja energiataseohjelmisto KASVENER:ia. Työssä on osoitettu, että kasvihuonekaasupäästölaskennan tarkkuus ja onnistuminen ovat riippuvaisia käytettävissä olevista resursseista, ennen kaikkea laskennan lähtötietojen laajuudesta ja tarkkuudesta. Laskentatuloksista selviää, että esimerkkikunnan kasvihuonekaasupäästöt ovat kasvaneet Suomen keskiarvoa vastaavalla tavalla. Toimenpide-ehdotuksia listatessa kävi lisäksi ilmi, että kasvihuonekaasupäästöjen leikkaaminen on melko helppoa olemassa olevalla teknologialla tiettyyn pisteeseen asti. Isompien tavoitteiden saavuttaminen edellyttää laajamittaisia investointeja ja kunnan infrastruktuurin muuttamista.

Ensimmäisen ja toisen sukupolven nestemäisten liikennebiopolttoaineiden kasvihuonekaasupäästöjenvertailu

Elinkaariarviointia voidaan käyttää ensimmäisen ja toisensukupolven nestemäisten liikennebiopolttoaineiden kasvihuonekaasupäästöjen ja primäärienergian kulutuksen vertailuun. Elinkaariarviointia käyttämällä pyritään tuottamaan luotettavaa tietoa koko elinkaaren ajalta. Nestemäisiä liikennebiopolttoaineita käsittelevissä tutkimuksissa elinkaari jaetaan yleensä kahteen osaan,joista suurempi painoarvo on elinkaaren alkuosalla. Tässä diplomityössä tehdään yksinkertaistettu elinkaariarviointi selluloosaetanolin ja Fischer-Tropsch-dieselin elinkaaren alkuosalle ja verrataan niitä sitten ohraetanoliin ja rypsimetyyliesteriin. Tässä työssä keskitytään primäärienergian kulutukseen sekä hiilidioksidi-, metaani- ja dityppioksidipäästöihin. Selluloosaetanolin raaka-aineena tarkasteltiin ruokohelpeä, Fischer-Tropsch-dieselin raaka-aineena metsätähdettä. Diplomityö osoitti, että toisen sukupolven nestemäisten liikennebiopolttoaineiden tuotannossa kuluu vähemmän primäärienergiaa ja syntyy vähemmän kasvihuonekaasupäästöjä kuin ensimmäisen sukupolven nestemäisten liikennebiopolttoaineiden tuotannossa. Sama tulos on saatu myös muissa aihetta käsittelevissä tutkimuksissa.

Golfkentän viheriöleikkureiden käytöstä aiheutuvat ympäristövaikutukset

Golfin suosion kasvaessa ja golfkenttien määrän lisääntyessä kenttien ympäristövaikutuksiin on alettu kiinnittää entistä enemmän huomiota. Golfkenttien viheriöiden, esiviheriöiden ja tii-paikkojen ruohon leikkaus on yksi ympäristöön vaikuttava toimenpide kentän hoidossa, koska leikkaus suoritetaan polttomoottorikäyttöisillä viheriöleikkureilla. Tämän diplomityön tilaajana toiminut Actioneco Oy halusi selvittää kehittämänsä uudentyyppisen, akkukäyttöisen viheriöleikkurin käytöstä aiheutuvat ympäristövaikutukset polttomoottorikäyttöiseen leikkuriin verrattuna. Työn tavoitteena oli tuottaa tietoa viheriöleikkureiden ympäristövaikutuksista leikkurivalmistajille ja golfkentille sekä luoda malli, jonka avulla käytöstä syntyviä ympäristövaikutuksia voidaan tarkastella erilaisilla kentillä leikkurityypistä riippuen. Työn tarkoituksena oli myös tuoda esiin hyödyt, joita ympäristöystävällisen leikkurityypin käyttöön liittyy. Viheriöleikkureiden käytön ympäristövaikutukset selvitettiin elinkaariarvioinnin avulla. Merkittävämmäksi ympäristövaikutukseksi osoittautui ilmaston lämpeneminen, joka aiheutui pääasiassa hiilidioksidista. Syntyvien päästöjen määrissä oli kuitenkin huomattava ero tutkittavien leikkurityyppien välillä. Koska akkukäyttöisten leikkureiden käytöstä aiheutuu vähemmän ympäristöön vaikuttavia päästöjä, on niiden käyttö suositeltavampaa polttomoottorikäyttöisten leikkureiden käyttöön verrattuna. Ympäristöystävällisempien leikkureiden käytöllä on mahdollista saavuttaa myösgolfkenttäyhtiön toimintaan positiivisesti vaikuttavia hyötyjä.

Continent wide response of mountain vegetation to climate change

Climate impact studies have indicated ecological fingerprints of recent global warming across a wide range of habitats. Whereas these studies have shown responses from various local case studies, a coherent large-scale account on temperature-driven changes of biotic communities has been lacking. Here we use 867 vegetation samples above the treeline from 60 summit sites in all major European mountain systems to show that ongoing climate change gradually transforms mountain plant communities. We provide evidence that the more cold-adapted species decline and the more warm-adapted species increase, a process described here as thermophilisation. At the scale of individual mountains this general trend may not be apparent, but at the¦larger, continental scale we observed a significantly higher abundance of thermophilic species in 2008, compared with 2001. Thermophilisation of mountain plant communities mirrors the degree of recent warming and is more pronounced in areas where the temperature increase has been higher. In view of the projected climate change the observed transformation suggests a progressive decline of cold mountain habitats and their biota.

Inversion polymorphism in two Serbian natural populations of Drosophila subobscura: Analysis of long-term changes

To study whether inversions (or arrangements) by themselves or karyotypes are the main global warming adaptive target of natural selection, two Drosophila subobscura Serbian populations (Apatin and Petnica) were re analyzed using different statistical approaches. Both populations were sampled in an approximately 15 years period: Apatin in 1994 and 2008 + 2009 and Petnica in 1995 and 2010. For all chromosomes, the four collections studied were in Hardy-Weinberg equilibrium. Thus, it seems that inversions (or arrangements) combined at random to constitute populations" karyotypes. However, there were differences in karyotypic fre quencies along the years, although they were significant only for Apatin population. It is possible to conclude that inversions (or arrangements) are likely the target of natural selection, because they presented long term changes, but combine at random to generate the corresponding karyotypic combinations. As a consequence, the frequencies of karyotypes also change along time.

New Climate Change Related EC Directives and Their Interrelations to Green Electricity and Certificate Practices

Työn päätavoite on tutkia vihreän sähkön ja sertifikaattien kaupan ja EY:n uusien ilmastonmuutosta koskevien direktiivien ja direktiiviehdotusten välisiä yhteyksiä. Tutkimuksessa käsitellään direktiiviä sähköntuotannosta uusiutuvilla energialähteillä ja direktiiviehdotuksia Euroopan Unionin alueen päästökaupasta sekä yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotannon lisäämisestä. Työ keskittyy erään suomalaisen metsäteollisuusyrityksen toimiin ilmastonmuutoksen hidastamiseksi. Tutkimus keskittyy pääosin EU:n suunnitelmaan aloittaa Unionin jäsenvaltioiden välinen päästökauppa, koska tämä järjestelmä tulee toteutuessaan olemaan teollisuuden kannalta merkittävä. Tilannetta on analysoitu neljän sellu- ja paperitehtaan hiilidioksidipäästölaskelmien avulla. Työssä kehitettyjä laskumalleja voidaan käyttää avuksi yhtiön muilla tehtailla. Tämän lisäksi työssä on luotu malli energiainvestointien arvioimiseksi tulevaisuudessa ottamalla päästöoikeuden hinnan vaikutus huomioon. Päästökaupan vaikutukset pohjoismaisilla vapautuneilla sähkömarkkinoilla on analysoity, koska teollinen sähkönhankinta on suuresti riippuvainen tästä markkinasta. Suomen metsäteollisuuden oma yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto erityisesti uusiutuvista energialähteistä tulee olemaan entistäkin tärkeämpää tiukentuvassa toimintaympäristössä. Tällä hetkellä on käynnissä kokeilu lisäarvon saamiseksi omalle sähköntuotannolle. Tällä haetaan kokemuksia ja valmiutta tulevaa päästökauppaa varten.

Clean development mechanism and joint implementation in China and Russia as related to industrial energy projects

Being highly discussed the problem of climate change and global warming has been keeping importance for several of decades. As a response to the world’s need in solution for climate change disasters, the United Nations Framework Convention on Climate Change was adopted in 1992 and supplemented with the Kyoto protocol in 1997. This work is aimed to give better understanding of the Convention, Kyoto Protocol with its mechanisms and their function, related to energy projects in such case countries, as Russia and China, in order to assist evaluation of projects cost-effectiveness. It provides basic information about the Convention and the Protocol with their regulations, overview of present situation and future post-Kyoto forecasts, while the most attention is concentrated on the clean development mechanism and joint implementation step-by-step project cycles and specific regulations in given countries. The current study disclosed that CDM and JI project cycles are resulting in a complicated process. By the moment it requires step-by-step following of a number of methodologies, spending time and finance to particular project development. Uncertainties about post-Kyoto period bring additional risk to the projects and complicate any business decision concerning Kyoto Protocol.