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.

The total material requirement -concept applied to agriculture : a case study from Finland

Selostus: Luonnonvarojen kokonaiskäyttö sovellettuna maatalouteen: esimerkki Suomesta

The structure of Mediterranean rocky reef ecosystems across environmental and human gradients, and conservation implications

Historical exploitation of the Mediterranean Sea and the absence of rigorous baselines makes it difficult to evaluate the current health of the marine ecosystems and the efficacy of conservation actions at the ecosystem level. Here we establish the first current baseline and gradient of ecosystem structure of nearshore rocky reefs at the Mediterranean scale. We conducted underwater surveys in 14 marine protected areas and 18 open access sites across the Mediterranean, and across a 31-fold range of fish biomass (from 3.8 to 118 g m22). Our data showed remarkable variation in the structure of rocky reef ecosystems. Multivariate analysis showed three alternative community states: (1) large fish biomass and reefs dominated by non-canopy algae, (2) lower fish biomass but abundant native algal canopies and suspension feeders, and (3) low fish biomass and extensive barrens, with areas covered by turf algae. Our results suggest that the healthiest shallow rocky reef ecosystems in the Mediterranean have both large fish and algal biomass. Protection level and primary production were the only variables significantly correlated to community biomass structure. Fish biomass was significantly larger in well-enforced no-take marine reserves, but there were no significant differences between multi-use marine protected areas (which allow some fishing) and open access areas at the regional scale. The gradients reported here represent a trajectory of degradation that can be used to assess the health of any similar habitat in the Mediterranean, and to evaluate the efficacy of marine protected areas.

Etat des lieux et potentiel de l'agriculture urbaine en Suisse : analyse de deux projets d'agriculture urbaine sous l'angle des régimes institutionnels des ressources naturelles

Ce travail de recherche dresse un panorama de l'état du développement des pratiques d'agriculture urbaine en Suisse et analyse le potentiel que celles-ci pourraient y développer, compte tenu des particularités du contexte national. La démarche adoptée suit une logique allant du général au particulier, de la théorie à la pratique, du descriptif vers l'analytique. Dans un premier temps, l'agriculture urbaine est abordée sous un angle conceptuel, comprenant un retour historique sur la relation ville-campagne et sur l'apparition récente du terme d'agriculture urbaine, un tour d'horizon de la littérature sur le sujet, une revue de ses diverses approches scientifiques et la circonscription des enjeux de sa définition. Dans un deuxième temps, l'agriculture urbaine est envisagée sous sa forme pratique, en Suisse comme à l'étranger. En ressort un inventaire étendu de ses différents types de mises en application, auquel correspond un panel d'atouts identifiés selon les trois versants du développement durable : social, écologique et économique. En troisième lieu les spécificités du contexte helvétique sont étudiées afin de comprendre quel est le cadre dans lequel le potentiel de l'agriculture urbaine pourrait se développer. Finalement, ce sont deux cas concrets d'agriculture urbaine qui sont analysés et évalués dans les détails, selon l'approche dite des régimes institutionnels des ressources naturelles (RIRN): le « plantage » lausannois du quartier de la Bourdonnette et le Stadiongarten dans le quartier Kreis 5 à Zurich. Au fil de cette recherche, il apparaît que l'agriculture urbaine révèle toute une série d'avantages en termes de développement durable, alors même que les villes suisses sont unanimement reconnues comme présentant un déficit dans ce domaine. De même, malgré les bienfaits importants que présentent ses diverses pratiques, l'agriculture urbaine reste encore très peu répandue en Suisse, le concept lui-même n'apparaissant que très rarement dans le discours des pouvoirs publics. Le principal frein à l'agriculture en ville est identifié comme étant le manque d'espace disponible dans les agglomérations, contrainte pourtant largement surmontable en y regardant de plus près. De par sa configuration topographique, le territoire suisse est particulièrement sujet à une étroite proximité entre espaces urbains et étendues agricoles, accroissant de ce fait la problématique de l'étalement urbain et du mitage du paysage. Parmi les enjeux de la lutte contre ces phénomènes concomitants, l'agriculture urbaine aurait un rôle important à jouer. En conclusion, une série de recommandations sont proposées afin que les projets d'agriculture urbaine puissent se développer et perdurer en Suisse. Abstract : This research paper provides an overview of the state of development of urban agriculture practices in Switzerland. It analyzes their potential of expansion while taking into account the particularities of the national context. The method follows a general to particular, theory to practice and descriptive to analytical reasoning. Firstly, urban agriculture is approached through a conceptual view, including a historical overview of the relationship between town and country and of the recent appearance of the term "urban agriculture". An outline of the literature on the subject, an examination of its various scientific approaches and riding issues of its definition are elaborated as well. In a second step, urban agriculture is considered in its practical form, both in Switzerland and abroad. From this we created an extensive inventory of various types of implementations which corresponds to a panel of assets identified according to the three aspects of sustainable development: social, ecology and economics. Thirdly the specificities of Swiss context are studied in order to understand the frame in which the potential of urban agriculture could be developed. Finally, two case studies of urban agriculture are analyzed and evaluated in detail, according to the so-called institutional regimes of natural resources (RIRN) approach: the "plantage" of the Bourdonnette neighborhood in Lausanne and the "Stadiongarten" in the Kreis 5 neighborhood in Zurich. Throughout this research, urban agriculture reveals a number of advantages in terms of sustainable development, even though the Swiss cities are unanimously recognized as having a deficit in this area. As well, despite the significant benefits that are its various practices, urban agriculture is still very uncommon in Switzerland, the concept itself appearing only rarely in public debates. The main obstacle to city agriculture is identified as the lack of available space in urban areas, however this constraint can easily be surpassed. By its topographical configuration, Switzerland is particularly prone to a close proximity between urban and agricultural spaces, thereby increasing the problems of urban sprawl. Among the stakes in the struggle against these interrelated phenomena, urban agriculture could play an important role. In conclusion, a series of recommendations are proposed so that urban agriculture projects can grow and persist in Switzerland.

Contribution to the conservation biology of the wood ant Formica lugubris (Hymenoptera, Formicidae) in Switzerland

Summary Among ants, wood ants are probably the most fascinating and studied species in temperate European forests. Unfortunately, due to several threats they are nowadays registered in red lists. Recent studies made in the Swiss Jura Mountains ended up in the description of a new sympatric sibling species of Formica lugubris (i.e. Formica paralugubris Seifert 1996). Because of this confusion the biology of F. lugubris is incomplete. Due to the extreme difficulties to distinguish morphologically F. lugubris from F. paralugubris we studied their cuticular hydrocarbons profiles. Irrespective of their geographic origin, we observed quantitative discrimination between species within each caste (workers, males and gynes =young alate female). Moreover, using a behavioural taxonomic approach (i.e. the pupa-carrying test) we showed that ants preferred conspecific worker pupae to those of the sibling species. These first results allowed us to consider the two species as two separate taxonomic units. To understand their coexistence, habitat distribution models were fitted with GIS predictors and factors known to influence wood ant distribution. In the Jura Mountains, although the two species share very similar habitats, they are spatially segregated. F. lugubris occurs more frequently at woodland borders than in forest interiors. We demonstrated with genetic and field data that Formica lugubris displays two different social forms in close proximity in alpine zone (e.g. unmanaged forests of the Swiss National Park). We discovered populations mostly monogynous to weakly polygynous (i.e. one to a few egg laying queens per colony) and monodomous (i.e. one nest per colony), and polygynous/polydomous populations (new nests being founded by colony budding). It is generally admitted that monogyne species disperse well in order to find suitable habitat to found new colonies whereas polygyne species have restricted dispersal and local mating within the nest. In order to compare reproductive strategies of F. lugubris and F. paralugubris (i.e. matings and dealation process) we conducted experiments with sexuals. F, lugubris gynes from monogynous/monodomous populations do not show a local strategy like the obligately polygynous F. paralugubris (i.e. early dealation even without mating, insemination without flight activity and low fat reserve). They always keep their wings, do not mate when not able to fly and have high amount of fat content revealing high survival capacities. On the other side, F, lugubris gynes from polygynous/polydomous populations have lower lipid reserves and displayed a reproductive behaviour close to the F. para lugubris one. After dispersal, wood ant gynes can either start new societies by temporary social parasitism of another species (i.e. subgenus Serviformica) or be adopted intraspecifically in an existing nest. In F. lugubris, we demonstrated that gynes from monogynous/monodomous colonies showed a high success for temporary social parasitism compare to the lower success of gynes from polygynous/polydomous colonies. However, physiological analyses suggested that only gynes from monogynous/ monodomous populations can efficiently disperse and found new nest by temporary social parasitism. Intraspecifically, gynes were accepted to a high degree in polygynous nest and in monogynous nests as long as these nests contained sexuals. In conclusion, Formica lugubris displays a social and dispersal polymorphism (mixed mating and founding system) representing a behavioural plasticity in relation to environmental and ecological conditions. Therefore, conservation measures directed toward this species should try to maintain a maximum of diversity at the habitat level. Résumé Les fourmis des bois sont probablement parmi les espèces de fourmis les plus fascinantes et les plus étudiées des forêts tempérées Européennes. Actuellement, du fait de différentes menaces, elles figurent malheureusement sur listes rouges. Plusieurs études menées au sein du Jura Suisse ont abouti à la description d'une nouvelle espèce jumelle et sympatrique de Formica lugubris (F. para- lugubris Seifert 1996). A cause de cette confusion la biologie de F lugubris est lacunaire. La distinction morphologique de F. lugubris et de F. para lugubris est si difficile que nous avons étudié leurs hydrocarbures cuticulaires. Indépendamment de l'origine géographique, nous avons observé une discrimination quantitative entre les espèces au sein de chaque caste (ouvrières, mâles et jeunes femelles ailées). De plus, à l'aide d'une approche taxonomique comportementale (le test de transport de cocons) nous avons montré que les fourmis préfèrent des cocons d'ouvrières conspécifiques à ceux de l'espèce jumelle. Ces premiers résultats nous permettent de considérer ces deux espèces comme deux unités taxonomiques distinctes et valables. Afin de comprendre leur coexistence, des modèles mathématiques ont été développés avec des données SIG et des facteurs écologiques influençant la répartition des fournis des bois. Dans le Jura, même si elles partagent des habitats fortement similaires, les deux espèces n'occupent pas les mêmes secteurs. F. lugubris est plus fréquente en lisière forestière plutôt qu'en pleine forêt. Nous avons démontré grâce à des données génétiques et de terrain que F. lugubris présente deux formes sociales au sein de la zone alpine (forêts protégées du Parc National Suisse). D'autre part, nous avons découvert des populations monogynes à faiblement polygynes (une à quelques reines pondeuses par colonie) et monodomes (colonies composées d'une seule fourmilière), et des populations polygynes/polydomes (les nouveaux nids étant produit par bourgeonnement). Généralement, les espèces monogynes dispersent sur de grandes distances et peuvent coloniser des habitats favorables à la fondation de nouvelles colonies alors que les espèces polygynes possèdent une dispersion limitée avec des accouplements à l'intérieur des nids. Afin de comparer les stratégies de reproduction de F. lugubris et de F. paralugubris (accouplements et perte des ailes) nous avons mené des expériences avec les sexués. Les jeunes femelles ailées de F. lugubris issues de populations monogynes/monodomes ne présentent pas de stratégie locale comparée à l'espèce obligatoirement polygyne F paralugubris (perte des ailes précoce même si il n'y a pas eu accouplement, insémination possible sans avoir volé activement et faibles réserves de graisse). Elles conservent toujours leurs ailes, ne s'accouplent pas lorsqu'elles sont empêchées de voler et possèdent de grandes quantités de graisse révélant de fortes capacités de survie. D'autre part, les jeunes femelles ailées de F. lugubris provenant de populations polygynes/polydomes ont peu de réserves lipidiques et ont un comportement de reproduction proche de celles de F. paralugubris. Après leur dispersion, les jeunes sexués femelles de fourmis des bois peuvent soit fonder une nouvelle société par parasitisme social temporaire d'un nid d'une autre espèce (sous-genre Serviformica) soit être adoptées dans un nid déjà existant de leur propre espèce. Chez F. lugubris, nous avons pu démontrer que les jeunes sexués femelles de colonies monogynes/monodomes présentent un succès élevé au parasitisme sociale temporaire en comparaison au plus faible succès obtenu avec des sexués provenant de colonies polygynes/polydomes. Cependant, les données physiologiques suggèrent que seules les jeunes sexués femelles de populations mono-gynes/monodomes peuvent disperser efficacement et fonder un nouveau nid par parasitisme social temporaire. Au niveau intraspécifique, les jeunes femelles sont acceptées à un taux élevé dans les nids polygynes mais aussi dans les nids monogynes tant que ces nids possèdent encore de jeunes sexués. En conclusion, F. lugubris est caractérisée par un polymorphisme dans ses structures sociales et ses stratégies de dispersion (système mixte d'accouplement et de fondation) ce qui représente une forte plasticité comportementale en relation avec les conditions environnementales et écologiques. Par conséquent, les mesures de conservation de cette espèce devraient s'attacher à maintenir un maximum de diversité au niveau des habitats.

Confidential report on lake restoration projects, Iowa conservation plan,1932

This report contains findings on 52 lake restoration projects. It summarizes the interpretation of the detailed project reports, maps, and cost estimates.

Cost-benefit analysis of multifunctional agriculture in Finland

Selostus: Kustannus-hyötyanalyysi monivaikutteisesta maataloudesta

Nature conservation efforts by forest owners : intentions and practice in a Swedish case study

Abstract

Report on a special investigation of the Mahaska County Soil and Water Conservation District for the period March 24, 2006 through August 31, 2013

Report on a special investigation of the Mahaska County Soil and Water Conservation District for the period March 24, 2006 through August 31, 2013

09028-014 Tributary B to Fourmile Creek Final Report

The city of Ankeny is submitting this WIRB application for development of green urban stormwater practices on city and private property in the Fourmile Creek watershed. The stormwater project proposed includes stream restoration of the SE Tributary to Fourmile Creek (Tributary B), including weirs, bank shaping, toe protection, trees, and native plantings. The project also includes the creation of a native buffer along the stream channel in the city’s Summerbrook Park, installing four native planting beds, installing a pervious surface trail, installing a series of rain gardens/biorentention cells, and installing educational signage. Polk County Soil and Water Conservation District has committed $17,000 towards the native buffer and rain garden/biorentention cell. The city of Ankeny was also awarded a $100,000 I-JOBS grant from IDNR to complete the stormwater retrofit practices. The largest component of this project is public education. Our vision for this project is to take the entire 281 acre watershed and address it as a whole. We want to make a collaborative watershed that not only addresses the water entering the stream channel through adjacent properties, but takes each individual parcel within the watershed and strives to reduce contributions to the stormwater system. The stormwater issues of concern for Tributary B include stormwater volume, sediment, and nutrients. The stream restoration, best management practices (BMP) at Summerbrook Park, and BMPs on private property should help decrease the volume of stormwater and reduce the amount of sediment and nutrients that enter Tributary B and ultimately Fourmile Creek.